DE1030940B

DE1030940B - Vorrichtung zur Untersuchung von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, mit Hilfe von Kernresonanzen

Info

Publication number: DE1030940B
Application number: DESCH17429A
Authority: DE
Inventors: Harold F Schwede
Original assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Current assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Priority date: 1954-03-05
Filing date: 1955-03-03
Publication date: 1958-05-29

Description

Vorrichtung zur Untersuchung von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, mit Hilfe von Kernresonanzen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bohrschachtuntersuchung, insbesondere zur Erzielung von qualitativen Angaben bezüglich der Erdformationen, die von dem Schacht durchteuft werden.
Bisher stützten sich solche Untersuchungen auf Messungen des elektrischen Widerstandes und des natürlichen Potentials sowie auf verschiedenartige Benutzung der Radioaktivität. Diese Untersuchungsarten hatten zwar großen wirtschaftlichen Erfolg, die geforderten Ergebnisse, z. B. die Zusammensetzung der Erdformationen und insbesondere das Vorhandensein oder Fehlen von Kohlenwasserstoffen, mußten jedoch erst durch Ausdeutung der gemessenen Parameter gewonnen werden. Eine qualitative Untersuchung, die diese Information unmittelbar gibt, ist aber nützlicher als die bisher möglichen Methoden.
Es ist nun Hauptgegenstand der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung von qualitativen Untersuchungen der von einem Bohrloch durehteuften Erdformationen anzugeben.
Die Erfindung läßt sich besser verstehen, wenn folgende physikalischen Erscheinungen betrachtet werden. Diese Betrachtung dient allein dem Verständnis der Erfindung und stellt keine genaue und vollständige theoretische Analyse dar. Sie soll also keineswegs eine Begrenzung des Umfangs der Erfindung sein.
Verschiedene Messungen beim Studium der Natur von Atomen zeigen, daß bestimmte Kerne ein inneres magnetisches Feld besitzen. Genauer, jeder dieser Kerne wirkt, als wäre an der Stelle des Kernes ein kleiner Stabmagnet oder ein magnetischer Dipol vorhanden, der sich um die Polachse dreht, Wenn ein solcher Kern einem äußeren magnetischen Feld ausgesetzt wird, führt der Keni eine Präzession aus, d. h. die Polachse beschreibt eine kegelförmige Fläche um die Feldrichtung.
Versuche haben vergeben, daß diese Präzession bei einer Frequenz auftritt, die gewöhnlich als Larmor-Frequenz bezeichnet wird und die von der untersuchten Atomart und von der Stärke des magnetischen Feldes abhängt. Durch Einführen eines zweiten magnetischen Feldes, das rechtwinklig zu dem ersten Feld gerichtet ist und mit der Larmor-Frequenz seine Intensität wechselt, kann die Kernpräzession aufrechterhalten werden. Mit anderen Worten, es tritt eine magnetische Kernresonanz zwischen dem die Präzession ausführenden Kern und dem anliegenden Wechselfeld auf.
So ist es möglich, die Anwesenheit sehr vieler verschiedener Atome durch die Verwendung der magnetischen Keruresonanzerscheinung zu bestimmen. Zwar tritt diese Resonanz bei Atomen eines bestimmten Elementes bei einer Feldstärke und einer Larmor-Frequenz von bestimmten Werten ein; es wurde aber eine leichte Abweichung entsprechend der Umgebung oder der chemischen Verbindung beobachtet, in der das Element gefunden wird. So können verschiedene Verl>indungen, die ein bestimmtes Element enthalten, für das die Kernresonanz beobachtet wird, voneinander unterschieden werden.
Die vorangegangene Erläuterung ist stark verein facht, kann aber die Grundlage für das Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung bilden.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist für die Untersuchung der Zusammensetzung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformation bestimmt. Gemäß der Erfindung ist eine durch das Bohrloch hindurchzuführende Einrichtung vorgesehen, die in den Bestandteilen des Stoffes, aus dem die Forinationen bestehen, paramagnetische Resonanzen erzeugt, die durch Anzeigevorrichtungen angezeigt werden. Dabei wird ein Bestandteil der Erdformationen einem magnetischen Feld ausgesetzt, das wenigstens eine Komponente hat, deren Intensität sich bei einer bestimmten Frequenz ändert. Das Auftreten einer magnetischen Kernresonanz bei dieser Frequenz wird angezeigt.
Das zugeführte magnetische Feld weist zwei zueinander senkrechte Komponenten auf. Die erste Feldkomponente ist von bekannter Intensität, die zweite besitzt die vorerwähnte Frequenz. Eine dieser beiden Größen wird nun periodisch iiber- einen bestimmten Bereich verändert, während die andere im wesentlichen konstant ist, so daß magnetische Kernresonanz für ein bestimmtes Element auftreten kann.
In einer besonderen Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung hat die erste Komponente des magnetischen Feldes eine konstante Intensität, und die Frequenz der zweiten Komponente des magnetischen Feldes wird periodisch verändert. Die magnetische Kernresonanz wird durch eine Absorption von Energie aus dem zweiten Feld oder durch die starke Intensitätsänderung eines magnetischen Feldes mit einer Komponente senkrecht zu den beiden erwähnten Feld komponenten angezeigt.
Bei einer anderen Ausführung der Erfindung ändert sich die Intensität der ersten Komponente des magnetischen Feldes periodisch mit einer Frequenz, die niedriger als eine erwartete Kernresonanzfrequenz ist, dabei wird die Frequenz der zweiten Feldkomponente konstant gehalten. Das Auftreten magnetischer Kernresonanz kann wie bei der oben beschriebenen Ausführung angezeigt werden.
Bei einer weiteren Ausführung wird die zweite Feldkomponente, deren Intensität sich bei einer Kernresonanzfrequenz ändert, in Form von Impulsen zugeführt, deren Zeitdauer kurz ist im Vergleich zur Gesamtzeit des Abklingens, d. h. der Zeit, in der das magnetische moment des ganzen präzessierenden Gebildes verschwindet. Beim Aufhören der Impulse führen die Vektoren der magnetischen Felder, die nicht im Gleichgewicht stehen, freie Präzessionen aus.
Die Interfrequenz dieser Nlomentrektoren gibt Veranlassung zu beobachtbaren Kern-Indulctionssignalen, den sogenannten »Spinechos«. Durch die Messung der Echoamplituden können unmittelbare und genaue Bestimmungen der Abklingzeiten gemacht werden, wodurch verschiedene Nioleldile, die gleiche Atome enthalten, leicht voneinander unterschieden werden können. Diese Information ermöglicht auch die Bestimmung unterschiedlicher Kerne und unterschiedlicher Stoffe, in denen die Atome enthalten sind.
Bei einer anderen Ausführung wird eine Probe des zu untersuchenden Stoffes mit der Resonanzfrequenz für eine Kernart beaufschlagt, wobei wenigstens eine zweite Kernart mit einer unterschiedlichen Resonanzfrequenz ermittelt werden kann.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Untersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Erdschichten kann auf zwei Arten angewendet werden. Wenn das Bohrloch mit einem Bohrschlamm gefüllt ist, kann der Schlamm selbst bei der Suche nach Kohlenwasserstoffen untersucht werden, die aus kohlenwasserstoffhaltigen Formationen in den Schlamm eingesickert sein können. Der Schlamm kann auch auf das Vorhandensein von anderen Kernen untersucht werden. Unabhängig von der Fiillung des Bohrloches mit Schlamm können die Bestandteile der Forkationen auf jeden Fall in ihrer ursprünglichen Lage bestimmt werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die mit Keruresonanzen arbeitende Untersuchungseinrichtung so gestaltet, daß sie es gestattet, in den von einem Bobrschacht oder Bohrloch durchteuften Erdformationen verschiedene chemische Verbindungen zu unterscheiden, die Atome des gleichen Elementes enthalten.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist das erste magnetische Feld bezüglich seiner Intensität konstant, und die Frequenz des zweiten Feldes wird in wiederkehrenden Abständen über einen gewählten Frequenzbereich verändert. Zu diesem Zweck ist ein Generator mit sich periodisch ändernder Frequenz mit Spulen gekoppelt, die das zweite Feld erzeugen. Die von den Spulen aufgenommene Energie wird angezeigt. Das Auftreten der Kernresonanz innerhalb jeder Periode hat ein Maximum an Energieaufnahme zur Folge; dieses kann über die Anzeigevorrichtung festgestellt werden.
Nach einer anderen Ausführung der Erfindung wird die Intensität des ersten Feldes mit einer Frequenz periodisch geändert, die wesentlich geringer ist als eine erwartete Resonanzfrequenz. Die Frequenz des zweiten Feldes wird konstant gehalten. Neben dem zu untersuchenden Stoff ist eine Induktionseinrichtung angeordnet, deren magnetische Achse senkrecht zu der Ebene liegt, die durch die Richtungen des ersten und zweiten magnetischen Feldes gebildet wird. Die Kernresonanz hat die Induktion eines Stromes in dieser Einrichtung zur Folge, der leicht angezeigt werden kann.
Wenn die Anzeige eines »Spinechos« erfolgen soll, so werden die Intensität des ersten Feldes und die Frequenz des zweiten Feldes konstant gehalten, letzteres wird dabei in Form von aufeinanderfolgenden starken, kurzen Impulsen von einer Impulsdauer tw erzeugt. Es soll dabei sein: t,<z<T, bzw. wobei t der Zeitabstand zwischen den Impulsen ist und T1 und T2 die Ablflingzeiten der Kernresonanzerscheinungen darstellen, die durch Energieaustausch zwischen den Kernen und ihrer Umgebung gedämpft werden. Die Zeiten T1 und T2 werden manchmal Längs- bzw. Quer-Abklingzeiten genannt.
Die Induktionsspule, die das zu untersuchende Material umgibt, wird zuerst durch die zugeleiteten Impulse erregt und empfängt danach infolge der Präzession der Kerne des Materials Hochfrequenzsignaßle (Echosignale) von Larmor-Frequenz. Die Analyse der beobachteten Echosignale gibt eine unmittelbare Information über T1 und T2. Den starken Impulsen des Wechselfeldes bei der Echoteehnik kommt ein breites Frequenzspektrum zu, es können deshalb auch von der genauen Resonanz abweichende Induktionssignale be obachtet werden. Daher ist diese Technik als schnelles und stetiges Verfahren zur Erforschung uw bekannter Resonanzcharakteristiken bestimmter Atome in verschiedenen Umgebungsstoffen sehr geeignet.
Ferner ist das Erfordernis der Gleichförmigkeit der magnetischen Felder, besonders der des ersten, ausrichtenden Feldes, weniger dringend.
Nach einem besonderen Gedanken der Erfindung wird die Schlammsäule auf Kohlenwasserstoffe untersucht, die sich infolge des Einsickerns aus kohlenwasserstoffhaltigen Formationen darin befinden. Diese Kohlenwasserstoffe sind ein Grundbestandteil der Formationen, es kann in einem ihrer Elemente Kernresonanz auftreten. Die dazu erforderlichen beiden Felder werden dem Material der Schlammsäule zugeführt, wenn die Mittel zur Erzeugung dieser Felder in das Bohrloch eingebracht sind.
Nach einem anderen Gedanken der Erfindung werden die Formationen selbst untersucht. Dazu werden die magnetischen Felder der Substanz der Formationen in ihrer natürlichen Lage zugeführt.
Die Zeichnungen zeigen Beispiele für Ausführungsformen der Erfindung: Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Bohrscliacbt-Untersuchungsvorrichtung nach dem Kernresonanzveffahren gemäß der Erfindung im Betrieb; Fig. 1 A ist eine Vorderansicht des Bildschirmes der Anzeigevorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung in vergrößertem Maßstab; Fig. 2, 3, 4 und 5 sind Schaltungen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung; Fig. 2A und 2B zeigen Kurven, die auf dem Bildschirm bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung auftreten können; Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung; Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung; Fig. 8 ist ein Schnitt längs der Linie 8-8 von Fig. 7; Fig. 9 stellt eine ahgeänderte Form der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung dar; Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung, und Fig. 11 ist eine schematische Darstellung einer ahgeänderten Form, bei der das sogenannte »Spinecho« bei der magnetischen Kernresonanz zur Bohrschachtuntersuchung verwendet wird.
In Fig. 1 weist die Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung nach der Erfindung ein druckfestes Gehäuse 10 auf, das mittels eines Kablels 12 in einem Bohrloch 11 aufgehängt ist. Das Bohrloch 11 durchteuft die Erdformationen 13 und enthält eine Bohrflüssigkeit 14, z. B. einen Schlamm auf Wasserbasis. Das Gehäuse 10 wird in dem Bohrloch 11 mittels des Kabels 12 in Zusammenarbeit mit einer nicht gezeigten motorl>etriel>enen Winde in der üblichen Weise gehoben und herabgelassen.
Obwohl der hydrostatische Druck der Schlammsäule 14 in dem Bohrloch 11 im allgemeinen das Bestreben hat, das Eindringen von Kohlenwasserstoffen und anderen Fliissigkeiten aus den Formationen 13 in das Bohrloch zu verhindern, findet ein Einsickern der Kohlenwasserstoffe in die Schlammsäule doch statt.
Daher können Spuren solcher Kohlenwasserstoffe und anderer verwandter Flüssigkeiten gewöhnlich in Höhe ihrer Ursprungsformationen gefunden werden, wobei die Vorrichtung von Fig. 1 dazu benutzt werden kann, den Bohrschlamm auf diese Grundelemente der Formationeii 13 zu untersuchen.
Zu diesem Zweck wird ein Schlammprobenrohr 15 durch gegenüberliegende Seitenwände des Gehäuses 10 hindurchgeführt. Das Rohr ist vorzugsweise mit einem Teil 15' aus nichtmagnetischem, nichtleitendem Stoff versehen, z. B. einem Tetrafluoräthylenpolymer, das unter dem Namen »Teflon« im Handel ist. Das ganze Rohr 15, 15' ist so fest gebaut, daß es dem hydrostatischen Druck des Bohrloches widersteht, und es ist gegenüber einer Ebene senkrecht zur lotrechten Achse des Gehäuses 10 geneigt. Ferner ist es am Gehäuse 10 ahgedichtet, um ein Eindringen von Schlamm in das eigentliche Gehäuse zu verhüten, doch kann der Bohrschlamm in das Rohr selbst gelangen. Zwei schalenförmige Leitschaufeln 16 und 17 sind an der Außenfläche des Gehäuses 10 an den Enden des Rohres 15 so angeordnet, daß,, wenn das Gehäuse 10 das Bohrloch 11 durchfährt, ein ständiger Schlammfluß durch das Probenrohr 15 gicht.
Man kann natürlich auch beliebige andere Mittel verwenden, um einen solchen Schlammfluß in dem Rohr zu erzeugen. Beispielsweise kann eine mo,torbetrichene Pumpe verwendet werden, um das Vorhandensein einer Schlammprobe in dem Rohr 15 zu sichern, die die Eigenschaften der Schlammsäule an der Stelle des Bohrlochs aufweist, an der sich das Gehäuse 10 befindet.
Um ein Aufhören des Schlammflusses in dem Rohr 15 infolge Anliegens eines seiner Enden an der Seitenwand des Bohrloches 11 zu verhüten, sind besondere gekrümmte Puffer 18 und 19 an dem Gehäuse 10 neben den Enden des Rohres 15 angebracht. Es können gegebenenfalls auch andere, nicht gezeigte Mittel verwendet werden, um das Gehäuse 10 axial in dem Bohrloch zu halten.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist ferner einen annähernd C-förmigen permanenten Magnet 20 auf, dessen einander gegenüberliegende Polflächen 21, 22 so geformt sind, daß dazwischen ein etwa gleichförmiges Feld entsteht. Der Rohrteil 15' liegt zwischen den Polflächen 21, 22, und so wird die Schlammprobe einem ersten magnetischen Feld ausgesetzt. Die Hauptkomponente dieses Feldes ist senkrecht zu den Polflächen 21, 22 gerichtet. Da der Magnet 20 ein permanenter ist, hat dieses Feld eine bestimmte, konstante Stärke. Der Magnet kann aus einem Werkstoff, z. B. einer Legierung von Aluminium, Nickel und Kupfer, hergestellt sein, der die erfordediche Feldstärke erzeugen kann. Beispielsweise hat sich eine Feldstärke von 2000 Gauß als geeignet herausgestellt, doch dient dieser Wert nur als Richtwert; es können auch größere oder kleinere Werte zufriedenstellend verwendet werden.
Wie zuvor festgestellt, führen bestimmte Atomkerne beim Vorhandensein eines magnetischen Feldes eine Präzession aus, wobei die Präzessionsfrequenz für Kerne verschiedener Elemente unterschiedlich ist.
Entsprechend dem ersten magnetischen Feld tritt eine Kerupräzession in den Elementen der Probe in dem Rohr 15 ein. Um die Präzession in den Kernen eines bestimmten Elementes aufrechtzuerhalten, wird ein zweites magnetisches Feld mit einer Intensität, die sich mit einer vorgebbaren wechselnden Frequenz ändert, senkrecht zu dem Rohr 15 so angelegt, daß seine Hauptkomponente senkrecht zum ersten Feld gerichtet ist. Dies geschieht durch zwei Spulen 23, 24, die an den beiden Seiten des Probenrohres 15 so angeordnet sind, daß ihre Wicklungen in einer Achse liegen, die senkrecht zu der zwischen den Mittelpunkten der Polflächen 21, 22 verlaufenden Linie steht.
Die Spulen 23, 24 werden durch Leitungen 25 von. einem Hochfrequenzgenerator 26 aus erregt, dessen Frequenz über einen bestimmten Bereich veränderlich ist. Der Generator 26 kann beispielsweise aus einem üblichen, selbsterregten, elektronischen Oszillator bestehen, der die Spulen mit einem solchen Strom speist, daß ein magnetisches Feld mit einer Spitzenintensität in der Größenordnung von 0,1 Gauß in der Pollücke entsteht, in der der Rohrteil 15' angeordnet ist. Der Oszillator kann mit einer Reaktanzröhre oder einem Frequenzmodulator mit veränderlichem Kondensator versehen sein. Der Arbeitsfrequenzbereich des Generators 26 kann in folgender Weise bestimmt werden: Es hat sich gezeigt, daß die Kernresonanzfrequenz f in Kilohertz für die Kerne eines bestimmten Elementes auf folgende Weise ausgedrückt werden kann: 1.H f 0,763 , (1) wobei W das magnetische Moment in Kerumagnetonen und i den Kernspin des betreffenden Elements darstellt, H ist die Intensität des angelegten magnetischen Feldes in Gauß.
Die Größen ffi und i für viele verschiedene Elemente können in den Veröffentlichungen über Kernphysik oder im Rundschreiben 499 des Bureau of Standards of the U. S. Departement of Commerce mit der Überschrift »Nuclear Data« gefunden werden. Die veröffentlichten Ergebnisse von Versuchen ergeben, daß für den Kern des elementaren Wasserstoffs, gewöhnlich als ein Proton bezeichnet, Fc = 2,79 und i = t12 ist. Setzt man diese Werte in die Gleichung (1) ein, so ergibt sich f = 4,258 H . (2) Wenn, wie früher angenommen, ein Feld von 2000 Gauß verwendet wird, folgt aus der Gleichung (2), das die Kernresonanzfrequenz für Wasserstoff in der Nähe von 8520 Kilohertz liegt.
Dieses Verhältnis gilt für elementaren Wasserstoff, es hat sich aber gezeigt, daß infolge der Anwesenheit anderer Elemente in chemischen Verbindungen mit Wasserstoff eine kleine Änderung eintritt, Wasserstoff wird in der Schlammprobe beobachtet in Verbindung mit Sauerstoff (Wasser) und in Verbindung mit Kohlenstoff (dem gesuchten Kohlenwassersto,ff). Die Resonanzfrequenz von Wasserstoffkernen kann auf diese Weise bei Frequenzen liegen, die etwas von 8520 Kilohertz abweichen. Um einer solchen Frequenzabweichung Rechnung zu tragen, wird die Frequenz der vom Generator 26 zugeführten Energie periodisch über einen Frequenzbereich von z. B. einigen Kilohertz verändert.
Solch eine Änderung des Frequenzbereiches kann durch einen Sägezahngenerator 27 erfolgen, der mit dem nicht dargestellten Steuerteil des Generatocs 26 durch Leitungen 280 verbunden ist. Dabei wird bei jeder Arbeitsperiode die den Spulen 23, 24 zugeführte Frequenz linear von einem Ende des erforderlichen Bandes bis zum anderen geändert und alsdann an den Ausgangspunkt zurückgebracht. Aus Gründen, die aus den folgenden Erörterungen klar werden, ist der Generator 27 vorzugsweise ein synchronisierter, die Synchronisation erfolgt durch eine Wechselspannung, die ihm über die Leiter 28 in dem Kabel 12 zugeführt wird, die Leiter sind mit einer Wechselstromquelle 29 an der Erdoberfläche verbunden.
Die Stromquelle 29 dient in erster Linie dazu, Energie über die Leistung 28 und 28' einem Stromversorgungsteil 30 innerhalb des Gehäuses 10 zuzuführen. Dieser Teil 30 ist ein Gleichrichter üblicher Bauart zur Erzeugung einer Gleichspannung, die den verschiedenen elektronischen Einrichtungen in dem Gehäuse über die Leitungen 31 als Betriebsspannung zugeführt wird.
Während jedes Frequenzdurchlaufs des Generators 26 tritt eine Kernpräzession oder -resonanz ein. Bei jeder Frequenz, bei der diese Erscheinung auftritt, wird Energie, die von dem Generator 26 geliefert wird, absorbiert. Infolgedessen nimmt die Hochfrequenzspannung an den Leitungen 25 jedes Mal ab, wenn eine Resonanz eintritt, und dieser Effekt wird durch entsprechende Schaltungen wirksam verstärkt.
Um eine solche Änderung oder Modulation festzusteilen, kann die Spannung an den Leitungen 25 durch Leiter 25' einem üblichen Richtverstärker 32 zugeführt werden. Er liefert die Modulation der hochfrequenten Trägerwellen an einen geeigneten Verstärker 35, dessen Ausgang den Leitungen 36 in dem Kabel 12 zugeführt wird. Letzteres trägt das Signal zu einem Verstärker37, der mit einer Anzeigevorrichtung 38 an der Erdoberfläche verbunden ist.
Der Anzeiger 38 kann eine übliche Kathodenstrahlröhre 39 enthalten mit einem normalen Elektrodensystem 40 zum Aussenden eines Elektronenstrahls auf einen fluoreszierenden Beobachtungsschirm 41. Die Röhre ist auch mit einem üblichen Ablenkungssystem versehen, z. B. mit waagerechten und senkrechten Platten 42, 43 zur Steuerung der Lage des Auftreffpunktes des Elektronenstrahls auf dem Schirm 41.
Mit den waagerechten Ablenkplatten 42 ist ein synchronisierter Sägezahngenerator 44 über Leitungen 45 verbunden. Der Generator 44 kann durch die Spannung der Quelle 29, die über eine Phasensteuereinheit 46 zugeführt wird, synchronisiert werden. Die Einheit 46 ist so eingestellt, daß der Elektronenstrahl auf das eine äußere Ende des Schirmes 41 in demselben Augenblick auftrifft, in dem der Frequenzdurchlauf des von dem Generator 26 in dem Gehäuse 10 erzeugten Hochfrequenzstroms beginnt.
Der Ausgang des Verstärkers 37 wird über Leitungen 47 den senkrechten Ablenkplatten 43 zugeführt.
Wenn also der Strahl waagerecht iiber den Schirm 41 streift, wird eine senkrechte Ablenkung jedes Mal dann auftreten, wenn eine Kernresonanz an der Probe in dem Rohr 15 eintritt.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann auch Mittel enthalten, die ständig das Eintreten der Kernresonanzerscheinung aufzeichnen. Zu diesem Zweck kann eine Registriervorrichtung 48 vorgesehen sein mit einem Kathodenstrahlrohr 49, dessen Elektronenstrahl auf einen fluoreszierenden Beobachtungsschirm 51 fällt.
Mit dem Ausgang des Generators 44 ist ein Paar von waagerechten Ablenkplatten 52 verbunden. Das Ausgangssignal an den Leitungen 36 wird in einem Verstärker 53 verstärkt, bevor es den die Strahlintensität steuernden Elektroden der Kathode 50 zugeführt wird.
Dementsprechend wird eine waagerechte Ablenkspur auf dem Schirm 51 synchron mit dem Frequenzdurchlauf des Generators 26 entwickelt. Die Intensität der Lichtspur wird jedes Mal verstärkt, wenn Kernresonanz eintritt.
Vor dem Beobachtungsschirm 51 ist ein lichtempfindlicher Registrierstreifen 54 vorgesehen, der durch eine Antriebsvorrichtung 55 in Längsrichtung an dem Schirm 51 mit einer Geschwindigkeit vorbeibewegt werden kann, die direkt proportional der Bewegung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 11 ist.
Das übliche nicht dargestellte lichtdichte Gehäuse verhindert ein Vernebeln des Streifens 54 durch von außen eintretendes Licht. Natürlich können übliche Entwicklungs- und Fixierverfahren bei der Behandlung des Streifens 54 verwendet werden, wenn ein Untersuchungsgang vollendet ist.
Es sind zwar in der Zeichnung Kathodenstrahlröhren 39 und 49 mit elektrostatischer Ablenkung dargestellt. Es können aber natürlich auch Röhren mit elektromagnetischer Ablenkung verwendet werden, z. B. können in bekannter Weise Ablenkspulen an Stelle der Ablenkplatten treten.
Im Betrieb wird das Gehäuse 10 durch das Bohrloch 11 mit einer gewählten Geschwindigkeit gehoben oder gesenkt, und eine Probe des Bohrschlamms fließt ständig durch die Röhre 15. Beim Hindurchgehen durch die Röhre 15 wird die Probe dem ersten und zweiten magnetischen Feld ausgesetzt, das durch den permanenten Magnet 20 bzw. die Spulen23, 24 erzeugt wird. Während des Frequenzdurchlaufs des Stroms aus dem Generator 26 tritt eine Kernresonanz in der Probe auf, und jede derartige Resonanz moduliert die Amplitude des Hochfrequenzsignals an den Leitungen 25. Diese Modulation wird durch den Richtverstärker 32 abgenommen und nach der Verstärkung in den Verstärkerstufen 35 und 37 als Ablenksignal den senkrechten Ablenkplatten 43 der Kathodenstrahlröhre 39 zugeführt. Dann erfolgt bei jedem Auftreten von Kernresonanz eine senkrechte Ablenkung der Spur auf dem Schirm 41 des Rohres 39.
Vorzugsweise wird das untere Ende des Frequenzbandes durch die linke Ecke der Ablenkspur auf dem Schirm 41 dargestellt. Da die Ablenkspur auf dem Schirm 41 waagerecht synchron mit dem Frequenzdurchlauf des Stroms aus dem Generator 26 fortschreitet, entspricht die waagerechte Entfernung entlang der Ablenkspur von der linken Kante an gemessen der Frequenz. Dieses »Bild« bietet sich während jeder der sich wiederholenden Abtastzeiten. Auf diese Weise wird eine ununterbrochene sichtbare Darstellung der Kemresonanzerscheinung auf dem Schirm 41 gegeben.
Es sei angenommen, daß bei einer bestimmten Tiefe in dem Bohrloch 11 die Bohrschlammprobe in dem Rohr 15 Kohlenwasserstoffe mit C H3- und C H2-Gruppen enthält, z. B. zusätzlich zu Wasser, dann wird eine Kernresonanz auf dem Schirm 41 der Kathodenstrahlröhre 39 beobachtet, die eine Spitze a und einen unsymmetrischen Teil b (Fig. l A) aufweist. Die Spitze a entspricht der Resonanz von Wasserstoffkernen in Wasser. Der unsymmetrische Teil b stellt die Resonanzen von Wasserstoffkernen in Verbindung mit Kohlenstoff (Kohlenwasserstoffen) dar, z. B. in C H3- und C H2-Gruppen. Die relativen Amplituden und Abstände der Spitze a und des unsymmetrischen Teils b sind nur schematisch dargestellt.
Da der Protonengehalt des Wassers in dem Bohrschlamm als gleichbleibend angenommen werden kann, ergibt sich keine wesentliche Änderung in der Amplitude der Spitze a. Der Kohlenwasserstoffgehalt jedoch kann sich ändern, wenn sich das Gehäuse 10 im Bohrloch 11 bewegt, und dementsprechend ändert sich auch die Amplitude des unsymmetrischen Teils b während eines Untersuchungsganges.
Gleichzeitig mit dem Erscheinen der oben beschriebenen und in Fig. 1 A dargestellten Spur auf dem Schirm 41 wird eine entsprechende waagerechte Linienspur auf dem Schirm 51 der Röhre 49 entwickelt. Anstatt jedoch senkrechte Ablenkungen entsprechend den Resonanzerscheinungen zu zeigen, werden letztere durch eine vergrößerte Intensität der Spur E aufgezeichnet. So nimmt an Stellen, die der Lage der Spitze cl und des unsymmetrischen Teils b der in Fig. 1 A gezeichneten Kurve entsprechen, die Intensität der Spur E zu. Natürlich ändert sich die jeweilige Intensität, wenn die Energieentnahme aus dem Generator 26 sich infolge der Änderung des Gehalts an Kohlenwasserstoffen ändert.
Die Linienspur E wird ständig auf einem lichtempfindlichen Streifen 54 so aufgezeichnet, daß ein kontinuierliches Untersuchungsbild entsteht, das die Änderungen der Intensität mit der Tiefe zeigt. Soweit der Gehalt an Kohlenwasserstoffen in den verschiedenen Tiefen der Bohrschlammsäule 14 nach dem Aufhören des Schlammumlaufs in dem Bohrloch 11 dem Kohlenwasserstoffgehalt der benachbarten Formationen entspricht, bietet diese Untersuchung eine nützliche Information über das die Formationen 13 bildende Material.
Die Bohrloch-Untersuchungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann demnach unter geeigneten Bedingungen zur Unterscheidung verschiedener Verbindungen des Wasserstoffs dienen, und dies ist für die Bestimmung der Anwesenheit von Kohlenwassersto,ffen in den Erdformationen wichtig.
Gegebenenfalls können Kernresonanzerscheinungen in einem Bohrschacht durch eine Brückenanordnung festgestellt werden, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.
In dieser Figur ist ein Generator 56 für hochfrequenten Strom fester Frequenz mit den Spulen 23, 24 über einen Kondensator 57 gekoppelt. Die Spulen 23, 24 stehen im Nebenschluß zu einem veränder- lichen Kondensator 58, und ein Detektor 32 ist mit den Spulen über einen Kondensator 59 gekoppelt. Der Kreis wird durch einen Koppelkondensator 60 vervollständigt, der zwischen der Verbindung von Generator 56 und Kondensator 57 einerseits und der Verbindung eines Widerstandes 61 mit einem veränderlichen Kondensator 62 andererseits eingeschaltet ist.
Widerstand 61 und Kondensator 62 liegen in Reihe im Nebenschluß zu den Eingangsleitungen des Richtverstärkers 32. Dieser Stromkreis kann als die bekannte Doppel-T-Impedanzbrücke bezeichnet werden.
Um das Auftreten einer Kern resonanz damit festzustellen, wird das magnetische Feld periodisch geändert. Dieses geschieht durch zwei Spulen 63, 64, die um die Pole des Magneten 20 gewickelt sind und zur Verstärkung der Magnetisierung durch den Sägezahugenerator 27 erregt werden, mit dem sie über die Leitungen 28 cl verbunden sind.
Die Art, in welcher der beschriebene Stromkreis in die Vorrichtung nach Fig. 1 eingefügt wird, ist leicht verständlich, da nur der Teil der Vorrichtung unterhalb des Detektors 32 und des Generators 27 nach Fig. 2 sich von dem entsprechenden Teil in Fig. 1 unterscheidet. Außerdem entsprechen die Betrachtungen über die Frequenz und über die Feldstärke der in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gegebenen Erklärung. Auf diese Weise können die erforderliche Frequenz für den Generator 26 und die durch die Pole des Magneten 20 zu erzeugende Feldstärke leicht bestimmt werden.
Um die Einrichtung nach Fig. 2 betriebsbereit zu machen, wird der Generator 27 ausgeschaltet, so daß die sich ergebenden Magnetfelder der Spulen 23, 24 und des Magneten 20, die auf die Probe innerhalb des Rohres 15 einwirken, die Kernresonanz nicht hervorrufen. Die Kondensatoren 58 und 62 werden dann so eingestellt, daß der Strom in den Leitungen 34 einen Minimalwert aufweist; die Brücke ist dann im Gleichgewicht. Anschließend wird der Kondensator 62 leicht verstellt und der Generator 27 eingeschaltet.
Durch Wahl einer geeigneten Amplitude für den Sägezahnstrnm des Generators 27 kann eine Kernresonanz bei einer bestimmten untersuchten Stoffart als Kurve x auf einem Schirm 41 der Anzeigevorrichtung 38 dargestellt werden (Fig. 2A), und es kann eine entsprechende Aufzeichnung durch die Registriervorrichtung48 erfolgen. Auf diese Weise wird eine Al)sorptiolnsuntersuchung durchgeführt, die den Gehalt an einem bestimmten Element liefert.
Es kann der Generator 27 ferner mit sehr niedriger Frequenz, etwa mit 1 Hz, arbeiten, wobei durch einen zweiten Kippgenerator 27' eine zusätzliche Spannung auf die Leitungen 28 cd gegeben wird (in gestrichelten Linien gezeigt). Der Generator 44 (Fig. 1) ist mit dem Generator 27 synchronisiert. Letzterer erzeugt eine Änderung des magnetischen Feldes über einen Bereich, der ähnlich dem ist, der der Darstellung x in Fig. 2A zugrunde liegt. Der Generator 27' bewirkt andererseits eine Feldstärkenänderung mit einer Frequenz von einigen 100 Hz mit einer Am-Amplitude die nur ein kleiner Bruchteil der Amplitude ist. die der durch den Generator 27 erzeugten Indem rung zukommt.
Der Wechselstromkreis wird im wesentlichen in der gleichen Weise eingestellt, wie oben beschrieben, mit der Ausnahme, daß anstatt des Kondensators 62, der Kondensator 58 verstellt wird.
Da im Betrieb die Modulationsamplitude, die durch den Generator 27' erzeugt wird, kleiner ist als eine »Linien«-Breite (der Bereich der Feldintensität zwischen Anstiegsbeginn und Abfallende der Kurve x), wird auf dem Schirm 41 von Fig. 2A eine Annäherung an die 1. Ableitung der Kurve x, wie sie durch die gestrichelte Kurve 3 in Fig. 2A dargestellt ist, erzeugt. Die entsprechende, durch die Vorrichtung 48 erzeugte Registrierung ergibt eine sogenannte »Dispersions-Analyse«. Diese Art der Darstellung ist durch ein größeres Auflösungsvermögen für die Frequenzlage der Resonanzspitzen gekennzeichnet, die im Frequenzband dicht beieinander liegen und die bei der direkten Darstellung der Absorption zusammenfallen könnten.
Wenn der Gehalt an Kohlenwasserstoffen steigt. zeigt eine Dispersionskurve bei einem starken, homogenen magnetischen Feld eine Unsymmetrie, die in Fig. 2 B schematisch mit a und b angegeben ist. Der Betrag zwischen den Scheiteln der Dispersionskurve. der in Fig. 2A mit dw bezeichnet ist, ebenso wie der Abstand zwischen der größten und der kleinsten Amplitude in Ordinatenrichtung sind Funktionen des Gehalts an einer bestimmten Kernart.
Eine andere Schaltung ist schematisch in Fig. 3 gezeigt. Die Spulen 23 und 24 sind in den nicht dargestellten Resonanzkreisteil eines üblichen Superregenerativ-Oszillators 65 eingeschaltet. Ein Sperrschwinger 66 sperrt den Oszillator 65 in bekannter Weise, die Arbeitsfrequenz des Oszillators 65 wird von einem Oszillator 67 gesteuert, der einen Frequenzdurchlauf durch ein bestimmtes Band bewirkt.
Der Ausgang des Oszillators 65 wird einem Detektor 68 zugeführt, der mit einem Verstärker 69 verbunden ist. Dessen Ausgang ist seinerseits mit einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 70 verbunden. Dem zweiten Eingang des Phaseudetektors 70 wird eine Spannung zugeführt, die durch den Oszillator 67 erzeugt wird. Der Ausgang von 70 steht mit einer Registriervorrichtung 71 in Verbindung, die beispielsweise ein übliches Registriergalvanometer sein kann. Es ist natürlich selbstverständlich daß die Schaltung nach Fig. 3 in dem Gehäuse nach Fig. l untergebracht sein kann. In diesem Falle würde der Ausgang des Phasendetektors 70 den Leitern 36 zugeführt werden.
Während der Arbeit kann durch geeignete Einstellung der Amplitude der im Oszillator 67 erzeugten Spannung die Bandbreite des Frequenzdurchlaufs des Oszillators 65 größer gemacht werden als der von einer Kernresonanzspitze überdeckte Frequenzbereich, der gewöhnlich als »Linien«-Breite bezeichnet wird.
Dementsprechend wird eine Art Absorptionskurve erhalten.
Wenn sich andererseits der Frequenzdurchlauf des Oszillators 65 auf ein Band beschränkt, das kleiner ist als die »Linien«-Breite, wird an der Registriervorrichtung 71 eine Art Dispersionskurve erhalten.
In Fig. 3 ist zwar ein Oszillator in Superschaltung, der besonders zum Sperren geeignet ist, dargestellt, es kann aber auch eine selbstsperrende Vorrichtung bekannter Art verwendet werden. Während hier vorzugsweise ein Oszillator der genannten Art benutzt wird, kann unter Umständen auch ein einfacher Oszillator Verwendung finden.
Die dargestellte Vorrichtung nach der Erfindung dient zur Bestimmung des Kohlenwasserstoffgehalts in der Bohrlochflüssigkeit. Sie kann aber auch zur Gewinnung anderer nützlicher Daten Verwendung finden. Zum Beispiel können die Stellen bestimmt werden, an denen Salzwasser in das Bohrloch 11 fließt, indem die Natriumkerne vom Atomgewicht 23 nachgewiesen werden. Aus veröffentlichten Tabellen der magnetischen Momente und der Kernspins ergeben sich hierfür die Größen F und i zu 9,215 bzw. 3/2.
Setzt man diese Werte in die oben angegebene Formel (1) ein, so ist ersichtlich, daß eine Resonanzfrequenz im Bereich von 2235 kHz für eine magnet tische Feldstärke von 2000 Gauß erhalten wird. Aiif diese Weise wird jedes Mal durch Vornahme eines eng begrenzten Frequenzdurchlaufs mit diesem Wert als mittlere Frequenz in der Vorrichtung nach Fig. 1 eine bestimmte Anzeige auf dem Beobachtungsschirm 41 erhalten, wenn für die Natriumkerne eine Kernresonanz eintritt. Dieses zeigt das Eindringen von Salzwasser in das Bohrloch 11 an.
Wenn das Bohrloch mit einem Mantel versehen ist, kann die Vorrichtung verwendet werden, um die Höhe anzugeben, an der ein Leck in dem Mantel vorbanden ist, das ein Einfließen von Wasser in das Bohrloch zur Folge hat. Die Amplitude der auf dem Schirm 41 sichtbaren Kurve zeigt sogar näherungsweise die Menge des einfließenden Wassers an, wenn die Untersuchungsvorrichtung in der Höhe eines solchen Leckes ist.
Andere chemische Elemente, die bei der Bestimmung des Einfließens von Salzwasser in das Bohrloch verwendet werden können, sind Jod oder Chlor. Jod ist kennzeichnend für Wasser aus Kohlenwasserstoff enthaltenden Formationen. Man erhält auf diese Weise eine mittelbare Information bezüglich der Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen in den Formationen.
Bei der Suche nach Chlor kann z. B. ein Frequenzband von 650 bis 850 kHz verwendet werden, um magnetische Kernresonanz für zwei verschiedene Isotopen des Chlors zu erhalten. Das Chlor-Isotop vom Atomgewicht 35 ergibt bei einer magnetischen Feldstärke von 2000 Gauß eine Kernresonanz bei 835 kHz, während das Isotop vom Atomgewicht 37 eine Resole nanz bei 693 kHz bei der gleichen Feldstärke aufweist. Da die Höhe der auf dem Beobachtungsschirm 41 sichtbaren Spitze für die Konzentration des jeweiligen Elementes charakteristisch ist, das die beobachtete Kernresonanz erzeugt, kann der Gehalt an diesen beiden Isotopen des Chlors als Hilfsmittel für die Erforschung des geologischen Alters der Schichten benutzt werden.
Natürlich kann die in Fig. l gezeigte Vorrichtung zur Untersuchung von Bohrlöchern verwendet werden, die entweder mit einer Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis oder mit einer solchen auf Olbasis gefüllt sind. Im letzteren Falle können die Kernresonanzerscheinungen in anderen Elementen als Wasserstoff aufgesucht werden, die zusammen mit den Kohlenwasserstoffen das Öl bilden. Solche Elemente sind beispielsweise oben genannt worden.
Wenn gleichzeitig Elemente gesucht werden sollen, die verschiedene Kernresonanzfrequenzen aufweisen, so kann die abgeänderte Schaltung gemäß Fig. 4 verwendet werden. Hier ist zusätzlich zu dem Generator 26 für eine veränderliche Frequenz ein weiterer solcher Generator 72 ebenfalls innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet. Dieser kann in der gleichen Weise wie der Generator 26 synchronisiert sein, d. h. durch die Säge zahnspannung, die über die Leitungen 28 von dem Generator 27 zugeführt wird. Die Ausgangsspannungen der Generatoren 26 und 72 werden den einzelnen Eingangskreisen eines elektronischen Schalters 73 zugeführt, dessen Ausgang an den Leitungen 25 liegt.
Der Schalter73 kann von der üblichen Bauart sein, bei der verschiedene Übertragungswege zwischen seinen einzelnen Eingangskreisen und seinem Ausgangskreis vorgesehen sind. Die Übertragungswege werden durch ein Steuersignal, das von einem Rechteckgenerator 74 zugeführt wird, freigegeben.
E3ei der Melssung werden die mittleren Frequenzen der Frequenzbänder der Generatoren 26 und 72 einzeln etwa auf die Kernresonanzfrequenzen der verschiedenen gesuchten Elemente eingestellt. Entsprechend den Rechteckimpulsen des Generators 74 werden diese Frequenzen ahwechseind den Spulen 23, 24 zugeführt. Diese Schalttätigkeit tritt mit einer Geschwindigkeit ein die erheblich geringer ist als die F requenzdurchlaufgeschwindigkeit. Die Kernresonanz wird durch die Amplitudenmodulation der Wellen angezeigt, die dem Richtverstärker 32 zugeführt werden, der vorzugsweise vorgespannt oder in einer anderen Weise so ausgebildet ist, daß er nicht auf durch die Schaltoperation verursachte Niodulation der Amplitude anspricht.
Die beschriebene Art der alternierenden Zuführung der Frequenzen kann verwendet werden, um die Kernresonanz des Wasserstoffes und des Deuteriums gleichzeitig festzustellen. Auf diese Weise kann eine Anzeige des relativen Gehalts an diesen Stoffen erhalten werden. Bei einer magnetischen Feldstärke von 2000 Gauß tritt für Deuteriumkerne die Resonanz in der Nähe von 1310 kHz ein, während, wie vorher auseinandergesetzt, für den Wasserstoff die Resonanz bei 8520 kHz erwartet werden kann. Die mittleren Frequenzen der Hochfrequenzbänder der Generatoren 26 und 72 werden entsprechend eingestellt.
Während in der in Fig. 1 dargestellten Untersuchungsvorrichtung eine Registriervorrichtung 48 nach Art einer Kathodenstrahlröhre verwendet wird. können natürlich auch andere Arten von Registriereinrichtungen verwendet werden, z. B. solche, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind. In dieser Figur wird der Ausgang der Phasensteuervorrichtung 46 über die Leitungen 75 einem Impulsgenerator 76 zugeführt, der für jede Periode der Wechselspannung von der Quelle 29 einen einzelnen Impuls von verhältnismäßig kurzer Dauer erzeugt. Der Generator 76 ist mit einem Verzögerungsmultivibrator 77 der üblichen Bauart gekoppelt, der durch eine Auslösesteuerung 78, die gestrichelt dargestellt ist, gesteuert wird. Hierdurch kami die zeitliche Verzögerung zwischen der Zuführung eines Impulses von dem Generator 76 und der Erzeugung eines Impulses durch den Multivibrator 77 wahlweise eingestellt werden. Der Multivibrator ist auch mit einer Steuerung für di!e Impulsdauer versehen. die durch eine gestrichelte Linie 79 angedeutet ist und zum wahlweisen Einstellen der Dauer des durch den Multivibrator erzeugten Impulses dient.
Die Ausgangsimpulse des Multivibrators 77 werden dem Steuerkreis eines üblichen elektronischen Schalters 80 zugeführt. dessen Eingangskreis mit dem Ausgang des Verstärkers 53 über einen üblichen Amplitudenwähler 81 in Verbindung steht. Der Ausgangskreis des Schalters 80 ist mit einem Spiegelgalvanometer 82 verbunden, das einen Lichtstrahl 83 gegen einen lichtempfindlichen Registrierstreifen 84 reflektiert. Der Streifen 84 wird durch eine Antriebsvorrichtung 85 ständig bewegt, und zwar synchron mit der Bewegung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 11 (Fig t).
Für den Betrieb dieser abgeänderten Ausführungsform nach Fig. 5 wird der Impulsamplitudenwähler 81 so eingestellt, daß nur Impulse mit einer Amplitude, die größer ist als eine vorher gewählte Höhe, dem Eingangskreis des elektronischen Schalters 80 zuge- führt werden. Auf diese Weise kann die Wirkung äußerer Störungen unterdrückt werden.
Jedes Mal, wenn ein Durchlauf durch das Frequenzband des Generators 26 (Fig. 1) beginnt, wird durch den Impulsgenerator 76 (Fig. 5) ein einzelner Impuls erzeugt. Durch geeignete Einstellung der Steuerung 78 für den Impulsbeginn wird die Auslösung des Multivibrators 77 um einen Zeitraum verzögert, der sich von der Zeit des Beginns eines Frequenz durchlaufs bis zu einem Zeitpunkt erstreckt, der kurz vor der Spitze a oder dem Teil b in Fig. 1 A liegt.
Darüber hinaus wird durch die Steuerung 79 die Impulsdauer auf eine Breite eingestellt, die etwas größer ist als die einer bestimmten Spitze. Auf diese Weise wird ein Zeitraum geschaffen, in den eine der in Fig. 1 A gezeigten Spitzen fällt, und der elektronische Schalter 80, der während der übrigen Zeit unterbricht, stellt nur während des vorerwähnten Zeitraums eine Verbindung her. Dementsprechend werden nur Signale auf das Galvanometer 82 übertragen, die in der gewählten Zeitspanne auftreten.
Da das Galvanometer 82 auf die Amplitude des zugeführten Signals anspricht, wird auf dem Registrierstreifen 84 eine Spur entwickelt, die gegenüber einer Bezugslinie entsprechend der Amplitudenhöhe des Signals verschoben ist. Da sich der Registrierstreifen synchron mit der Bewegung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch bewegt, wird auf diese Weise ständig das Untersuchungsergehnis registriert, das über das Auftreten eines bestimmten Elementes und seine Konzentration Auskunft gibt.
Bei der Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 6 wird ein anderes Mittel zur Bestimmung des Auftretens einer Kernresonanz angewendet. Die auf der Erdoberfläche befindliche Ausrüstung ist nicht dargestellt. Es ist jedoch selbstverständlich, daß außer den in der Fig. 1 gezeigten ähnlicheAnzeige- und Registriereinrichtungen verwendet werden müssen. Ferner sind Teile, die Gegenstücke in Fig. 1 haben, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Ein permanenter Magnet 86 von etwa rechteckiger Gestalt ist in dem unteren Teil des Gehäuses 10 angeordnet. Der Magnet hat in einem gewissen Abstand voneinander liegende parallele Polflächen 87 und 88, die an den Enden der Schenkel 89 bzw. 90 liegen. Das Rohr 15 liegt in gleicher Richtung in den Bohrungen 91, 92, die sich in der Längsrichtung durch die Schenkel 89 bzw. 90 erstrecken, so daß eine Probe des Schlamms ununterbrochen in der Richtung eines ersten magnetischen Feldes fließen kann, welches sich senkrecht zu den Polflächen 87 und 88 erstreckt.
Dieses erste magnetische Feld hat eine vorgebbare veränderliche Intensität, die durch das feststehende Feld des Magneten 86 und das zusätzliche magnetische Feld gegeben ist, das durch einen Strom in den um die Schenkel 89 und 90 gewickelten Spulen 93 und 94 erzeugt wird. Dieser Strom wird den Spulen von einem Sägezahngenerator 95 über die Leitungen 96 zugeführt. Der Generator wird durch eine Wechselspannung über die Leitungen 28 synchronisiert, die durch das Kabel 12 zu einer Stromquelle, z. B. dem Generator 29 von Fig. 1, an der Erdoberfläche führen.
Wie in der Vorrichtung nach Fig. 1 beliefert der Wechselstrom in den Leitungen 28 den Stromversorgungsteil 30, der über die Leitungen 31 die verschieb denen elektronischen Einrichtungen in dem Gehäuse 10 mit Gleichstrom versorgt.
Um die durch das erste magnetische Feld verursachte Kernpräzession aufrechtzuerhalten, wird ein zweites magnetisches Wechselfeld mit Hilfe von zwei Spulen 97, 98 erzeugt, die zu beiden Seiten des Rohres 15 liegen und eine gemeinsame Achse etwa senkrecht zu einer Bezugslinie haben, die sich zwischen den Polflächen 87, 88 innerhalb des Rohres 15 erstreckt. Diese Spulen werden durch einen Hochfrequenzgenerator 99 über die Leitungen 100 erregt.
Der Generator 99 erzeugt eine konstante Frequenz von fester Amplitude. Zum Beispiel können 8520 kHz verwendet werden, wenn der Wasserstoff einem resultierenden magnetischen Feld von etwa 2000 Gauß ausgesetzt ist.
Da das Feld an den Polflächen 87, 88 sich infolge des periodischen veränderlichen Stromes in den Spulen 93, 94 ändert, kann bei der Arbeitsfrequenz des Generators 99 eine Kernpräzession eintreten. Um diese Präzession festzustellen, sind zwei Induktionsspulen 101 und 102 zu beiden Seiten des Teiles 15' des Rohres 15 vorgesehen, deren Achsen in gleicher Richtung miteinander und senkrecht zu der Ebene liegen, die durch die Achsen des Rohres 15 und der Spulen 97, 98 gebildet wird. Die Spulen 101 und 102 sind für die Aufnahme geringster Energien aus den. Feldern der Spulen 97, 98 bemessen und sind durch Leitungen 103 mit einem Hochfrequenzverstärker 104 verbunden, der auf die Arbeitsfrequenz des Generators 99 abgestimmt ist. Der Verstärker 104 ist seinerseits in Kaskadenschaltung mit einem Detektor 105 und einem Verstärker 106 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 106 wird über die Leitungen 36 des Kabels 12 einer Anzeige- und Registriervorrichtung, ähnlich den Einheiten 38 und 48 von Fig. 1, zugeführt. Die Einrichtungen 104, 105 und 106 können wie üblich geschaltet sein.
Wenn sich im Betrieb das Gehäuse 10 durch das Bohrloch 11 bewegt, geht ein ständiger Strom von Bohrschlamm 14 durch das Probenrohr 15. Da die Achsen der Spulen 97, 98 und 101, 102 senkrecht zueinander stehen, wird in den Auffangspulen 101, 102 bei Abwesenkeit einer Kernpräzession nur eine geringe Spannung induziert.
Wenn sich jedoch die Intensität des ersten magnetischen Feldes infolge der periodisch den Spulen 93, 94 zugeführten Sägezahnimpulse ändert, kann Kernresonanz auftreten, und sie kann bei der Arbeitsfrequenz des Generators 99 aufrechterhalten werden.
Die die Präzession ausführenden Kerne induzieren in den Induktionsspulen 101, 102 Spannungen, die dem aus den Teilen 104, 105 und 106 bestehenden Empfänger ein Hochfrequenzsignal zuführen, wobei das Ausgangssignal des Empfängers über die Leitungen 36 zu der Ausrüstung auf der Erdoberfläche geleitet wird.
Das magnetische Feld, bei dem für eine bestimmte Kernart eine Präzession eintritt, ändert sich etwas mit der Umgebung oder der chemischen Verbindung, in der sie gefunden wird. Wenn sich die Intensität des ersten magnetischen Feldes ändert, läuft die Anzeigespur über den Anzeigeschirm (z. B. der Röhre 39. in Fig. 1), wobei sie jedes Mal senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung abgelenkt wird, wenn eine Kernresonanz eintritt. Es entsteht auf diese Weise ein Bild auf dem Schirm 41.
Die Registriervorrichtung 48 spricht genau in der gleichen Weise an, wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert, und es wird eine ständige Untersuchungsaufzeichnung des Kohlenwasserstoffgehalts der Formation 13 erhalten.
Wenn es erwünscht ist, Proben und Flüssigkeiten aus den das Bohrloch umgebenden Erdformationen zu prüfen, kann die Vorrichtung nach Fig. 1 oder 6 mit einem mit einer Bohrlochseitenwand in Eingriff gelangenden, nicht dargestellten Schuh oder einer Sonde zusammen mit nicht dargestellten Antriebsmitteln versehen sein. Diese werden von der Erdoberfläche aus gesteuert, um die Sonde in Eingriff mit der Wand des Bohrloches zu bringen. Die Sonde kann also wahlweise in einer gewünschten Tiefe in Eingriff mit der Seitenwand des Bohrloches gebracht werden, wobei eine Flüssigkeitsprobe von einer Eintrittsöffnung in der Sonde durch ein biegsames Rohr zum Rohr 15 gefördert wird.
Die Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 7 zeigt die Verwendung der Kernresonanzerscheinungen für eine Untersuchung von Erdformationen an Ort und Stelle. Sie besteht unter anderem aus einer gebogenen Feder 107, deren Enden oben und unten an gleitenden, von dem Gehäuse 10 getragenen Verbindungsstücken angeschlossen sind. An einem mittleren Teil der Feder 107 ist ein längliches Kissen 108 angebracht, das parallel zur Längsachse des Bohrloches liegt. Eine in gleicher Weise angeordnete gebogene Rückdruckfeder 109, die der Feder 107 gegenüber angeordnet ist, wirkt mit letzterer zusammen, um das Kissen in Eingriff mit der Seitenwand des Bohrloches 11 zu halten.
Das Kissen 108 besteht vorzugsweise aus unmagnetischem Stoff, z. B. Aluminium oder Teflon; an seiner Rückseite ist ein länglicher permanenter Magnet 110 angebracht, der aus einem Zylinder aus ferromagnetischem Material hergestellt ist und eine parallel zu seiner Achse liegende Bohrung aufweist, er ist mit dem hinteren Teil des Kissens verbunden. Wie am besten aus Fig. 8 zu ersehen ist, kann der Magnet im Querschnitt C-förmig sein. Seine Polflächen 111, 112 sind in das Kissen 108 eingebettet und bilden Ebenen, die einander unter einem spitzen Winkel, der zwischen 45 und 90° liegt, schneiden. Die Gestalt des Magneten und seiner Polflächen ist also derart, daß ein erstes magnetisches Feld von konstanter Intensität in die Formation 13 hineinreicht. Die Intensität und Gleichförmigkeit des Feldes werden so groß gemacht, daß in dem die Formation bildenden Stoff an Ort und Stelle Kernresonanz erzeugt wird. Dieses Feld verläuft gleichmäßig in langgestreckter Form über ein kleines Volumen der Erdformation parallel zur Achse des Bohrloches.
Wenn man einen zylindrischen Magnet der dargestellten Art verwendet, der eine Feldstärke von einigen 1000 Gauß hat, kann bis zu einigen Zoll Tiefe innerhalb der Formation ein nutzbares Feld in der Größenordnung von 100 Gauß erzeugt werden. Der Grad der Gleichmäßigkeit des Feldes und der Betrag des Eindringens in die Formation kann gegebenenfalls über einen begrenzten Bereich dadurch geändert werden, daß man nicht dargestellte rechteckige Spulen in geeigneter Weise anbringt, deren Länge ungefähr derjenigen der Polschuhe des permanenten Magneten entspricht. Diese Hilfsspulen können zweckmäßig durch eine Stromquelle erregt werden, die so eingeregelt ist, daß in den Formationen eine konstante magnetische Feldstärke aufrechterhalten wird. Um Einstellungen des Feldes vornehmen zu können, können die Spulen auf magnetischen Kernen so angeordnet sein, daß die Polarität der Wicklungen entgegengesetzt der Polarität der entsprechenden Polschuhe des Magneten 110 ist.
Um ein zweites magnetisches Feld von veränderlicher Intensität senkrecht zu dem ersten Feld herzustellen, wird in das Kissen 108 eineDralltwindung 113 eingebettet. Diese Windung ist von rechteckiger Gestalt, ihre beiden senkrechten Stücke haben gleichen geringen Abstand von der Seitenwand des Bohrloches.
Die Windung ist mit Hilfe von zwei Leitungen 114 mit einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator innerhalb des Gehäuses 10 verbunden. Dieser Generator kann identisch mit dem in Fig. 1 mit 26 bezeichneten sein. Die Frequenz, bei der Intensitätsänderungen in dem zweiten Feld auftreten, ist von vorgebw barem periodisch sich änderndem Wert, da der Gene rator 26 seine Frequenz periodisch ändert. Die Intensität des magnetischen Wechselfeldes kann auf einen gewählten Höchstwert innerhalb eines Bereiches von wenigen Zehnteln bis zu wenigen Hundertsteln eines Gauß in einem kleinen Volumen der Formation eingestellt werden, je nach der Art der nachzuweisenden Kerne. Darüber hinaus enthält das Gehäuse 10 auch Einrichtungen, die dem Sägezahngenerator 27, der Stromversorgung 30 und den Verstärkern 32, 35 von Fig. 1 entsprechen, die ja an eine ähnliche Vorrichtung angeschlossen sind.
Die Arbeitsweise des Geräts nach Fig. 7 entspricht derjenigen, die in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erläutert wurde, mit der Ausnahme, daß die Erdformationen an Ort und Stelle untersucht werden und nicht die in den Bohrschlamm eingedrungenen Bestandteile der Formationen.
Die Kernresonanzfrequenz, die bei der Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 7 benutzt wird, ist nicht die gleiche, wie sie in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 1 angegeben wurde, und zwar wegen des Unterschiedes in der Stärke des verwendeten magnetischen Feldes. Wenn z. B. eine Feldstärke von 100Gauß erreicht wird, ergibt sich aus der obigen Gleichung (2), daß die mittlere bei der Untersuchung fiir den Wasserstoff in seinen verschiedenen Verbindungen benutzte Frequenz in der Nähe von 426 kHz liegt. Im gleichen Maß, wie die magnetische Feldstärke, der die zu untersuchenden Formationen ausgesetzt werden, geringer ist als die bei der Schlammproben anordnung nach Fig. 1 verwendete, ist außerdem das Verhältnis von Signalstärke zu Störpegel in dem Prüf- und Anzeigesystem geringer. Dementsprechend kann die Amplituden- und Zeitwählanordnung nach Fig. 5 angewendet werden, um die Wirkung von außen kommender Störungen zu verringern.
Bei der abgeänderten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 9 besitzt die Feder 107 einen geraden mittleren Teil, in dessen Mitte ein Stabmagnet 115 befestigt ist. Der Magnet 115 hat rechteckigen Querschnitt und eine flache Polfläche 116, die in das hintere Ende eines Kissens 117 aus nichtmagnetischem Stoff, z. B. Aluminium oder Teflon, eingebettet ist.
Das Kissen 117 wird im Eingriff mit der Seitenwand des Bohrloches 11 gehalten, und es ist in das Kissen eine schraubenförmige Spule 118 eingebettet, deren Windungsachse parallel zur Oberfläche der Polfläche 116 liegt. Die Spule 118 ist durch Leitungen 114 mit einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator in einem Gehäuse in der gleichen Weise verbunden, wie es für d:ie Vorrichtung nach Fig. 7 beschrieben wurde.
Es wird demnach den zu untersuchenden Formationen ein erstes Feld konstanter Intensität, zusammen mit einem zweiten, senkrecht zu dem ersten gerichteten Feld zugeführt. Das zweite Feld hat natürlich eine Intensität, die sich mit einer bestimmten Frequenz ändert, so daß die Kernpräzession in der benachbarten Formation aufrechterhalten wird.
In Fig. 10 ist eine geschoßartige Vorrichtung zur Aufnahme von Formationsflüssigkeit zur Untersuchung der Erdformation an Ort und Stelle darge- stellt. Sie kann beispielsweise mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 verbunden sein, wobei diejenigen Bestandteile innerhalb des Gehäuses 10, die unterhalb der Teile 26 und 32 liegen, nicht benutzt werden. An deren Stelle wird an dem Gehäuse eine Detonationskammer und eine nicht dargestellte explosive Ladung befestigt, z. B. solche, wie sie in dem USA.-Patent 2 055 506 beschrieben sind. Die Kammer kann das Geschoß 120 nach Fig. 10 umhüllen, und es kann nach Wahl an der Stelle einer interessierenden Formation in die Seitenwand des Bohrloches abgeschossen werden.
Das Geschoß 120 besitzt eine aus nichtmagnetischem Werkstoff, z. B. Messing, bestehende Tragstange 121, an deren vorderem Ende eine kegelförmige Spitze 122 befestigt ist. Die Spitze 122 besteht aus magnetischem Werkstoff, der so fest ist, daß er den Kräften widerstehen kann, die sich beim Eindringen des Geschosses 120 in die Formation ergeben.
Gleichachsig mit der Stange 121 ist ein hohlzylindrisches Gehäuse 123 vorgesehen, das durch einen scheibenartigen Endverschluß 124 mit der Stange verhunden ist. Das Gehäuse 123 liegt in einem gewissen Abstand von der Spitze 122, so daß ein Zwischenraum entsteht, in dem ein Spulenaggregat 125 quer zur Richtung der Stange 121 angeordnet werden kann.
Das Spulenaggregat 125 besitzt einen inneren und einen äußeren gleichachsigen Zylinder 126 und 127 aus isolierendem Stoff, die mit Endverschlüssen 128, 129 versehen sind. Die Stange 121 geht durch Bohrungen in den Wänden der Zylinder 126 und 127, z. B. durch die Bohrung 130 hindurch. Der lichte Durchmesser des inneren Zylinders oder Rohres 126 ist größer als der Durchmesser der Stange 121, so daß die Bohrlochflüssigkeit hindurchfließen kann.
Zwischen den Wänden der gleichachsigen Zylinder 126 und 127 befindet sich je eine obere und untere Spule 131 bzw. 132. Diese Spulen sind in Reihe geschaltet und durch Leitungen 133 mit Leitungen 25 (Fig. 1) verbunden.
In der Ebene der Achsen der Stange 121 und des Spulenaggregates 125 liegt ein U-förmiger Magnetsern 134. Die heiden Schenkel des Kernes tragen je eine Spule 135 und 136, die in Reihe geschaltet und durch Leitungen 137 mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, z. B. mit dem Stromversorgungsteil 30 in Fig. 1.
Die Endpole 138 und 139 des Kernes 134 sind so abgebogen, daß sie sich in gleicher Richtung mit dem Gehäuse 123 erstrecken und magnetische Felder in der Nachbarschaft der Spulen 131 und 132 des Aggregats 125 bilden. Um den magnetischen Kreis zu schließen, ist die Spitze 122 mit Polschuhen 140 und 141 versehen.
Vorzugsweise sind die Bohrungen in dem Geschoß 120 mit Ausnahme des Rohres 126 mit einem nichtmagnetischen Stoff, z. B. Teflon, so angefüllt, daß eine glatte Außenfläche entsteht.
Um ein Zurückziehen des Geschosses 120 nach dem Prüfvorgang vornehmen zu können, ist zwischen der Scheibe 124 und dem Gehäuse 10 (Fig. 1) ein biegsames Kabel 142 vorgesehen. Das Kabel 142, das vorzugsweise die Leitungen 133 und 137 einhüllt, wird in der üblichen Weise vor einem Prüfvorgang so angebracht, daß es die Bewegung des abzufeuernden Geschosses nicht stört.
Im Betrieb wird die ganze Vorrichtung bis zu der interessierenden Tiefe der Formation in das Bohrloch herabgelassen, und das Geschoß 120 wird mit Hilfe der Detonationskammer und der nicht dargestellten explosiven Ladung in die Formation hineingetrieben. Es fließen dann in der Formation befindliche Flüssigkeiten in die Bohrung des Rohres 126 und werden dort einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt, das durch die Spulen 135, 136 in Verbindung mit dem Kern 134, und die Polschuhe 138, 139, 140 und 141 in der Nachbarschaft der beiden Spulen 131 und 132 erzeugt wird. Die durch die Spulen 131 und 132 erzeugten Felder sind senkrecht zu dem konstanten Feld gerichtet. Die in der Flüssigkeit innerhalb des Rohres 126 auftretenden Kernresonanzen werden in der gleichen Weise angezeigt, wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert.
Nach einer geeigneten Registrierung oder Aufzeichnung wird das Gehäuse 10 (Fig. 1) angehoben und das Geschoß 120 aus der Formation herausgezogen, da es durch das Kabel 142 mit dem Gehäuse verbunden ist.
Fig. 11 zeigt eine typische Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzielung von Anzeigen sogenannter »Spinechos« bei Bohrlochuntersuchungen mittels kernin agnetischer Resonanzen. Bei dieser Anordnung führt der Magnet 20 das konstante homogene Feld einer Probe in dem Rohr 15 zu, wie in Fig. 1. Um genaue und reproduzierbare Daten zu erzielen, soll das magnetische Feld auf etwa 1/iooo 0/o über die Zeitdauer konstant gehalten werden, in der eine Messung durchgeführt wird, und es können hierzu bekannte Arten von Vorrichtungen benutzt werden, die kernmagnetische Resonanzerscheinungen verwenden. Die Spulen 23 und 24, die das Hochfrequenzfeld herstellen, sind durch einen regelbaren Kondensator 156 auf eine durchschnittliche Larmor-Präzessionsfrequenz unter Berücksichtigung der Kerumomente in der Probe abgestimmt. Der Resonanzkreis, der den Kondensator 156 und die Spulen 23 und 24 enthält, kann durch eine Folge von mindestens zwei kurzen Hochfrequenzimpulsen angestoßen werden. Diese Impulse können durch einen Hochfrequenzoszillator 143 erzeugt werden, der mit der Larmor-Frequenz für die zu prüfende Kern art schwingt und dessen verstärkter Hochfrequenzausgangsstrom über geeignete Sperr- und Impulsformerl-orrichtungen 144 und einen Kondensator 145 dem Resonanzkreis zugeführt wird.
Die Sperr- und Impulsformervorrichtung 144 wird durch einen Kippgenerator 146 synchronisiert, der auch den waagerechten Ablenkplatten einer üblichen Kathodenstrahlröhre 148 eine Ablenkspannung zuführt. Im allgemeinen werden der Oszillator 142 und die Vorrichtung 144 so gebaut sein, daß sie Impulse mit einer Dauer von 20 Mikrosekunden bis zu einigen Äfillisekunden und Magnetfelder in den Spulen 23 und 24 in dem Bereich von 0,01 bis 20 Gauß erzeugen.
Der Resonanzkreis ist ferner über einen Kondensator 149 mit einem Vorverstärker 150 verbunden, dessen Ausgang an den senkrechten Ablenkplatten 151 der Kathodenstrahlröhre 148 liegt.
Der Einfachheit wegen werden nur Echowirkungen betrachtet, die dadurch erzeugt werden, daß die Probe zwei Hochfrequenzimpulsen hintereinander unterworfen wird, obwohl auch mehr als zwei Impulse benutzt werden können. Für die Spinecho-Wirkung ist es wesentlich, daß die Impulsdauer tw < z < T1 und T2 ist, wobei z den Zeitraum zwischen den Impulsen bedeutet und T1 die Längs- oder thermische Abklingzeit (d. h. die Zeit, in weicher der Spin unabhängig von seiner Phase in dem magnetisch angeregten Zustand verbleibt) und T2 die senkrechte Abklingzeit ist (d. h. die Zeit, in weicher die Kernspins eine Phasenp räzession ausführen, bevor Dämpfungswirkungen infolge des Spingitters merklich werden, wobei T2 als Bruchteil von T1 angegeben wird).
In der folgenden Erläuterung, die sich der Abhandlung »Free Nuclear Induktion« (Physics Today, Bd. 6, Nr. 11, November53, S. 4 bis 9) von E. L. Hahn anschließt, sei angenommen, daß der Magnet 20 ein konstantes Magnetfeld 11o erzeugt, das durch die Probe in dem Rohr 15 nach Fig. 11 hindurchgeht. Kurze Zeit nach dem Einsetzen des Signals vom Kippgenerator 146 läßt die Einrichtung 144 einen kurzen Hochfrequenzimpuls von Larinor-Frequenz f und mit einer Impulsdauer tw von dem Oszillator 143 zu dem Resonanzkreis gelangen, der den Kondensator 156 und die Spulen 23, 24 umfaßt. Dieser Impuls wird auch über den Kondensator 149 und den Vorverstärker 150 den senkrechten Ablenkplatten 151 der Kathodenstrahlröhre 148 zugeführt, auf deren Schirm er durch eine Spur 152 dargestellt wird.
Es sei nun angenommen, daß das Feid H1 durch die Spulen 23 und 24 bei Erregung durch den Hochfrequenzimpuls in einer Zeit auf- und abgebaut wird, die im Vergleich zu seiner Dauer tw sehr kurz ist.
Während der Zeit tw versuchen sich diejenigen magnetischen Momente, die ursprünglich in gleicher Richtung mit dem konstanten Feld0 lagen, in eine Ebene hineinzudrehen, die senkrecht zu dem H0-Vektor steht und in der der Vektor IJi liegt. H1 ist hinreichend groß gemacht, um sicherzustellen, daß diese Drehung innerhalb einer Zeit eintritt, die im Vergleich zu der Zeit, in welcher die meisten dieses. magnetischen Momente mit H1 außer Phase kommen, kurz ist. Daher sind alle nfomente zu der Zeit tw etwa in Phase, wenn sie die Ebene erreicht haben, die HJ enthält und rechtwinklig zu H0 ist. Zu dieser Zeit wird das Feld 1J1 plötzlich entfernt. Ein Kerninduktionssignal in den Spulen 23 und 24 bleibt bestehen, nachdem das Feid H1 entfernt ist (s. Spur 153 in Fig. 11), aber es klingt ab, da die einzelnen Momente jetzt bei ihrer natürlichen Frequenz eine freie Präzession ausführen können. Da diese Frequenzen sich etwas unterscheiden, werden die Momente nach einer gewissen Zeit außer Phase kommen, und ihre induktiven Wirkungen werden einander stören oder aufheben. Die ursprünglich parallel liegenden Komponenten des magnetischen Momente sind dann gleichmäßig um eine Achse verteilt, die sich in der gleichen Richtung wie H0 erstreckt, aber die Größen dieser Momente haben sich nicht geändert, wenn man annimmt, daß keine Relaxationsersclieinungen eintreten.
Obwohl diese Momentvektoren kein resultierendes Moment ergeben, so haben sie doch bestimmte Phasenbeziehungen zueinander.
Zur Vereinfachung des Verständnisses der Spinechoerscheinungen sei angenommen, daß der zweite Impuls entweder dieselbe Intensität und doppelte Dauer oder die doppelte Intensität und gleiche Dauer wie der erste Impuls erhält. Von der Zeit an, in der H1 wieder vorhanden ist, vollführt jeder Vektor des magnetischen Moments eine Präzession auf einem Kegel, dessen Achse die Richtung von H1 ist. In dem Augenblick, in dem der zweite Impuls endet, haben die Vektoren aus allen Quadranten in der senkrecht zu HO stehenden Ebene, in der sie beim Beginn des zweiten Impulses gerade auf der einen Seite von H1 lagen, eine Drehung in eine Spiegelbildstellung auf der anderen Seite von H1 ausgeführt. Auf diese Weise hat sich die Reihe der isotrop verteilten Momente um 1800 um eine Achse in der Richtung von Ho gedreht.
Betrachtet man die mittlere Durchschnittsrichtung der magnetischen Momente, dann liegt jedes Moment, das vor dem zweiten Impuls um einen gegebenen Winkel vor dieser Richtung lag, jetzt um den gleichen Winkel hinter ihr. Ferner liegt jedes Moment, weiches um einen gegebenen Winkel hinter der Durchschnittsrichtung lag, um den gleichen Winkel vor ihr. Wenn nun diese magnetischen Momente die Präzession wie vorher fortsetzen, werden diejenigen, die hinter dem Bezugsvektor oder der Durchschnittsrichtung liegen, heschleunigt, diejenigen, die vor dem Bezugsvektor liegen. werden zurückbleiben. Zu einer Zeit t nach dem zweiten Impuls 154 (Fig. 11) sind infolgedessen alle Momentvektoren wieder in Phase, und es tritt zur Zeit 2r ein Echo 155 ein. bei einer solchen Wahl von Impulsen. daß der erste Impuls von der Breite 4f alle Vektoren um 90° dreht. während der zweite Impuls von der doppelten Breite sie um 180° dreht, ergibt sich das größtmögliche Echo. Es können jedoch auch brauchbare Ergebnisse mit anderen willkürlichen Kombinationen von tw und H1 erhalten werden. die andere Drehwinkel ergelen. Zum Beispiel kann der zweite Impuls die gleiche Länge und die gleiche Intensität wie der erste Impuls haben. In diesem Falle wird die Reihe nicht um 1800, sondern um 900 gedreht.
Aus der auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erzeugten Spur können die Abklingzeiten T1 und T, bestimmt werden, wie in dem Aufsatz mit dem Titel »Spin-Echoes« von E.L.Hahn in der Ausgabe der »Phvsical Review« vom November 1950 erläutert.
Aus diesen Angahen kann die Substanz festgestellt werden. die in der Probe in dem Rohr 15 enthalten ist. Die Veröffentlichung zeigt auch, wie Echozacken und Modulationen die Hüllkurven, die auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre 148 erscheinen, eine Information über Verschiebungen in der genauen magnetischen Resonanzfrequenz von Kerumomenten eines lestimmten Elements ergeben, in Abhängigkeit von der Art des Moleküls. in dem es enthalten ist.
Auf Grund dieser Daten können verschiedene Moleküle. die gleiche Atome enthalten, leicht unterschieden werden. In ähnlicher Weise können die verschiedenen Abkl ingzeiten fürMoleküle in verschiedene.n physikal ischen Umgebungen bestimmt werden, sofern die Moleküle Kerne mit magnetischen Momenten enthalten.
Gegebenenfalls können die üblichen fotografischen Registriermittel zur Herstellung einer dauernden Aufzeichnung der Spur auf der Kathodenstrahlröhre 148 dienen.
Bei gewissen oben beschriebenen Ausführungen der Erfindung wird ein sägezahnartiger Durchlauf eines Frequenzbandes verwendet. Natürlich können auch andere Formen benutzt werden. Zum Beispiel kann ein Signal von sinusartiger Form den Durchlauf der Hochfrequenz durch das Band bewirken, oder ein Rechtecksignal kann die Feldintensität des Magnets ändern, und es kann eine entsprechende periodische Ablenkung in der Anzeige- und Registriervorrichtung verwendet werden.
Das Spinecho-Verfahren kann mit Vorrichtungen ausgeführt werden, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind, indem man gegebenenfalls den Hochfrequenzgenerator 99 nun Impulse aussenden läßt.
Das Spinecho-Verfahren ist gut zum Untersuchen einer besonderen Erdformation an Ort und Stelle geeignet. wo der Wechsel in der Abklingzeit ganz genau bestimmt werden kann, indem man die zwischen Impulsen einer bestimmten Höhe verstrichene Zeit ändert und den Abfall der Amplitude der sich ergebenden Impulse mit dieser Änderung beobachtet. Es ergibt sich hieraus eine wirksame Handhabe für die genaue Prüfung eines Materials in einer bestimmten Tiefe in dem Bohrloch.
Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 7 oder einer Abänderung gemäß Fig. 9 kann bei der Untersuchung auf Aluminiumgehalt von Erdformationeu, die durch ein Bohrloch 11 durchteuft sind, in Verbindung mit der Bestimmung des Vorhandenseins von Schiefer verwendet werden. Veröffentlichte Tabellen von Versuchsergebnissen zeigen, daß für Aluminium die Größen 11 und i in der Gleichung (1) 3,639 bzw. 5/2 sind. Für eine Feldstärke von 100 Gauß ist die erwartete Frequenz der Kern resonanz 111 kHz.
Entsprechend kann ein Frequenzband von ungefähr 250 Hz mit dieser Resonanzfrequenz in der Mitte angewendet werden.
Es können auch kernmagnetische Resonanzvorrichtungen gemäß der Erfindung mit etwa 107 kHz für ein magnetisches Feld von 1000 Gauß zum Aufsuchen von Kohle vom Atomgewicht 13 verwendet werden. Auf diese Weise können Kohlenwasserstoffe besonde.rs in kalkfreien Gebieten festgestellt werden.
Es können natürlich auch andere Brückenschaltungen an Stelle der in Fig. 2 gezeigten verwendet werden. Zum Beispiel eine Brücke von wechselseitiger Impedanz von der Art, wie sie in der USA.-Patentanmeldung 750 307 vom 24. 5. 1947 von Henry Georges-Doll vorgeschlagen wurde. Zum Beispiel kann der Ausgang der Spulen 23, 24 einem Phasendiskriminator der in dler genannten Anmeldung beschriebenen Art zugeführt werden, wobei entweder die Blind- oder die Wirkkomponente ständig abgeglichen ist, während die andere Komponente gemessen wird, Ein anderes Interessengebiet, in dem kernmagnetische Resonanzvorrichtungen der beschriebenen Art verwendet werden können, ist die Auffindung von Spurenelementen, von denen bekannt ist, daß sie mit dem Petroleum zusammen in bestimmten Konzentrationen vorkommen. Zu diesen Elementen gehören Jod, Vanadium und Stickstoff. Zum Beispiel kann zum Auffinden von V51 (i = 7/2 und 11 = 5,14) eine Larmor-Frequenz von etwa 111 kHz mit einem zugeführten magnetischen Feld von 100 Gauß verwendet werden. In ähnlicher Weise wird der am meisten vorhandene Stickstoffkern N14 bei einer Resonanzfrequenz von etwa 615 kHz bei einem magnetischen Feld von 2000 Gauß erscheinen. Eine Bestimmung der Anwesenheit von Stickstoff ist bei jedem Vorhaben, das sich auf das Vorkommen von Petroleum bezieht, von Interesse.
Das Verhältnis von Natrium zu Kalium, das bei der Analyse verschiedener Petroleumvorkommen von Interesse ist, ist eine weitere Größe, die mit der Vorrichtung nach der Erfindung erforscht werden kann.
Die Resonanzfrequenz für den am häufigsten vorhandenen Natriumkern ist bereits für eine magnetische Feldintensität von 2000 Gauß angegeben, nämlich zu ungefähr 2250 kHz. Der häufigste Kaliumkern, nämlich K39, würde bei einer Frequenz von 396 kHz für die gleiche magnetische Feldstärke Resonanz aufweisen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung bietet auch bei der Erforschung von Mineralien in Bohrlöchern einen großen Nutzen. Stoffe in metallischem Zustand zeigen eine Resonanzfrequenz, die einige kHz höher liegt als die für den Kern des Elements, wenn er in einem Salz bei der gleichen magnetischen Feldstärke vorhanden ist. Diese Frequenzverschiebung zwischen Metallen und ihren Salzen wird die »Knigth-Verschiebung« genannt.
Für den am häufigsten vorhandenen Kupferkern Cu63 in Form eines Kupfersalzes tritt z. B. die Resonanz bei einer Frequenz von etwa 226OkHz in einem magnetischen Feld von 2000 Gauß ein, während für das Metall selbst die Resonanz bei einer Frequenz auftreten würde, die bei demselben magnetischen Feld ungefähr 5 kHz höher liegt. Auf diese Weise könnte metallisches Kupfer von Kupfersalzen unterschieden werden. Auch das Vorhandensein von Pb207 und Zn67 kann festgestellt werden, wenn ihre Erze in das Feld der Vorrichtung nach der Erfindung gelangen.
Beobachtungen der Unsymmetrie in der Resonanzlinie für den Wasserstoff führen zu Aussagen über die Art des vorhandenen Kohlenwasserstoffes. Zum Beispiel wird ein aliphatischer Kohlenwasserstoff eine Unsymmetrie erzeugen, die vorzugsweise an der einen Seite der Wasserstoff-Resonanzspitze liegt. Andererseits wird ein naphthenischer Kohlenwasserstoff mit Protonen im Benzol eine Unsymmetrie auf der anderen Seite der Wasserstoffresonanzspitze ergeben. Durch die Feststellung, auf weicher Seite der Spitze eine Unsymmetrie eintritt, ist es daher möglich, vorherzusagen, ob ein naphthenischer oder aliphatischer Kohlenwasserstoff vorhanden ist.
Gebundenes Wasser im Ton oder andere Verbindungen in dem Schlamm ergeben eine Verbreiterung der Basis für die Wasserstoffresonanzkurve. Hierdurch erfolgt jedoch auch eine Änderung in eine mehr oder weniger symmetrische Kurvenform.
Die Empfindlichkeit der Anzeige kann dadurch vergrößert werden, daß die zu untersuchende Probe gleichzeitig einem Hochfrequenzmagnetfeld unterworfen wird, das der Resonanzfrequenz von andersartigen Kernen entspricht als solchen, nach denen ge sucht wird. Dieses Feld orientiert die zahlreichen Kerne und vergrößert die Intensität des von den gesuchten Kernen stammenden Resonanzsignals. Es kann dies z. B. in der Vorrichtung gemäß Fig. 4 dadurch geschehen, daß der Hochfrequenzgenerator 72 auf die Resonanzfrequenz des Wasserstoffs eingestellt wird.
Die Schwingungsamplitude wird so vergrößert, daß der Formation durch den elektronischen Schalter 73 Wechselfelder von einigen 10 Gauß in Energiestößen von kürzerer Dauer zugeführt werden, als die Abklingzeiten T1 und T2 für den Wasserstoff betragen.
Der Hochfrequenzoszillator 26 wird auf die optimale Feldstärke für die gesuchte Kernart eingestellt.
Gegebenenfalls kann eine solche Messung ständig vorgenommen werden, indem der Hochfrequenzoszillator durch den elektronischen Schalter 73 mit einem besonderen nicht dargestellten Spulensystem in Verbindung steht, das beispielsweise gleichachsig mit den Spulen 23, 24 liegt.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 könnte auch dazu benutzt werden, um ein starkes Hochfrequenzfeld von dem Generator 99 für die Protonen zu erhalten, wobei der Verstärker 104 und der Detektor 105 auf die Induktionsfrequenz abgestimmt werden, die für die zu suchende Kernart bei dem verwei deten homogenen Magnetfeld erwartet wird.
Bei Anwendung der oben beschriebenen Mittel wird die zu suchende Kernart durch die makroskopischen Momente beeinträchtigt, die auf das unter Beobachtung stehende Volumen durch die zunehmende Ausrichtung der Protonen einwirken. Als Ergebnis wird eine entsprechend zunehmende Kohärenz des Ansprechens der Resonanz der gesuchten Kern art erzielt.
Die oben beschriebene Vorrichtung nach der Erfindung ist auch für die Untersuchung der Wirkungen von Quadrupol-Resouanzerscheinungen in Kernen brauchbar, deren Spin größer ist als 1/2. Auf diese Weise kann z. B. in günstigen Fällen eine Änderung in der Kristallstruktur in den Formationen festgestellt werden. Natürlich können auch hier Spinecho-Ver fahren benutzt werden, um Abklingzeiten zu bestimmen, die sich aus den Resonanzerscheinungen ergeben.
Ferner können Vorrichtungen nach Fig. 3 dazu benutzt werden, um Wirkungen festzustellen, die bei der Einwirkung eines Hochfrequenzfeides von bestimmter Frequenz auf Substanzen im Bohrloch auftreten. Insbesondere können die Spulen 23 und 24 in einem Kissen untergebracht sein, das gegen die Wand des Bohrloches gelegt wird, und zwar mit Mitteln oder ohne Mittel zur Herstellung eines homogenen magnetischen Feldes, wobei Erscheinungen zu messen sind, die sich aus Quadrupolresonanz ergeben. Die Frequenzen würden hier allerdings in der Regel größer sein, als einige MHz.
Es ist besonders nützlich, wenn man Formationen über die piezoelektrische Absorption entlang des Bohrlochs mit der beschriebenen Vorrichtung bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß ein dichtes Spektrum von piezoelektrischen Absorptionen in dem Erdmaterial eintritt, wenn es einem Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz zwischen 20 und 40 MHz ausgesetzt wird, ohne daß ein homogenes Magnetfeld angewendet wird. Diese Wirkung wird besonders bei der Prüfung von Bohrschachtteilchen bemerkt.
Anstatt die zu untersuchende Probe einem Hochfrequenzmagnetfeld auszusetzen, kann man ähnliche Ergebnisse erzielen, wenn man mechanische Wellenenergien der gleichen Frequenz verwendet. In diesem Falle wird ein üblicher Druckwellenerzeuger von geeigneter Frequenz verwendet. Diese Vibrationsenergie erzeugt eine Schwingung des Materials, das Kerne mit magnetischen Momenten enthält. Durch die Schwingung dieses Materials in einem homogenen Magnetfeld wird eine elektromotorische Kraft in den Spulen 23, 24, z. B. gemäß der Ausführung nach Fig. 3, induziert, die Signale von verstärkter Amplitude gibt, wenn der Oszillator 65 auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist.
Die Ausführung nach Fig. 4 kann auch verwendet werden, um Metall und Metall erze in verbesserter Weise festzustellen, indem man das zu prüfende Material einem Hochfrequenzmagnetfeid aussetzt, nachdem durch das konstante Äiagnetfeid eine Larmor-Präzession des Elektronenspins in dem Material erzeugt worden ist. Dieses Hochfrequenzfeld wird in Impulsen aufgegeben, deren Periode kürzer ist als die Zeit des Abklingens der Ausrichtung des Elektronenspins. Das Wechselfeld kann einige 10 Gauß betragen. wodurch annähernd vollständige Ausrichtung des Spins erreicht wird. Gleichzeitig wird ständig beobachtet, ob kerumagnetische Resonanz für die gesuchte Kernart auftritt.
Bei einem konstanten Magnetfeld von 100 Gauß würde die Hochfrequenz für Resonanz des Elektronen spins ungefähr 280 MHz betragen. Die Resonanzfrequenzen für Metalle würden von den jeweils gesuchten Kernisotopen abhängen. Zum Beispiel würde Cu63 in dem Bereich um 113 kHz gesucht werden, während Cu65 eine Frequenz von ungefähr 121 kHz bei einem Feld von 100Gauß beanspruchen würde. Bei diesem geringen Feld würden die Linien breit sein.
Insofern eine Senkung der magnetischen Feldstärke eine Abnahme des Kernresonanzsignals verursacht, sind Hilfsmittel, die eine Verbesserung der Ergebnisse bewirken, von Bedeutung. Die Vorrichtung nach Fig. 4 kann dazu dienen, um das Signal zu verbessern, das von magnetischen Kernen in Formationen, die Hochfrequenzimpulsen von Elektronenspin - Resonanzfrequenz ausgesetzt sind, erhalten wird. Bei 10 Gauß z. B. würde diese Frequenz ungefähr 28 MHz sein, die Kernresonanzfrequenz für das Proton würde ungefähr 42,6 kHz betragen.
Falls die erhöhte Temperatur in dem Bohrloch die Intensität der Kernresonanzerscheinungen abschwächt, kann die thermische Abklingzeit T1 verringert werden durch Hinzufügen von paramagnetischen Ionen zu solchem Bohrschlamm, in dem solche Ionen fehlen, um so die Zahl der Kerne zu vergrößern, die an der Resonanzerscheinung teilnehmen können. Gewöhnlich jedoch sind paramagnetische Stoffe, wie sie in Eisenverbindungen vorkommen, in dem Bohrschlamm vorhanden.
Bei den beschriebenen Ausffihrungsformen der Erwindung können gegelenenfalls Änderungen in dem zugeführten wirksamen magnetischen Feld vorgenommen werden. Zum Beispiel kann. wenn ein nichtmagnetisches. aus Teflon bestehendes Material verwendet wird. um die verschiedenen Teile des Magnetsystems zu tragen die Resonanz für die Fluorkerne in dem Teflon benutzt werden, um das magnetische Feld durch nicht dargestellte Hilfsspulen zu steuern die um den Magnet herum angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Feld durch Steuerung eines durch elektromagnetische Mittel erzeugten Hilfsmagnetfeldes auf einem etwa konstanten Wert gehalten werden.
Wenn bei der Vorvichtung nach Fig. 1 z. B. das Rohr 15 aus Teflon besteht und wenn es erwünscht ist. zusätzlich Spulen zusammen mit dem Magnet 20 zur Erzeugung des konstanten Magnetfeldes zu verwenden. kann ein Schaltsystem ähnlich dem in Fig. 4 gezeigten. vorgesehen werden. um einen ersten Frequenzdurchlauf für die zu untersuchenden Elemente zu bewirken und einen zweiten über einen Frequenzbereich vorzunehmen, der die Kernresonanzfrequenz für Fluor enthält. Wenn demnach die Werte von F und i von 2.6248 bzw. z und eine magnetische Feldstärke von 2000 Gauß verwendet werden. tritt die erwartete Kernresonanzspitze für Fluor mit dem Atomgewicht 19 in der Nähe voll 8012 kHz ein, wie aus der Gleichung (1) bestimmt werden kann. Es können geeignete Schaltvorrichtungen verwendet werden, so daß zwischen den l)urchläufen ein Ausgangssignal von den Richtverstärkern 32, 35 mit der Frequenz erzeugt wird, in der Fluorkernresonanz eintritt. Dieses Signal kann in Xterhilldung mit einer selbsttätigen Steuervorrichtung fiir die Konstanilialtung des Magnetfeldes verwendet werden.
Gegebenenfalls können geeignete Anordnungen für eine selbsttätige Frequenzsteuerung in dem Gehäuse 10 für den Hochfrequenzoszillatorkreis enthalten sein. el)ellso wie selbsttätige Mittel zur Aufrechterhaltung einer konstanten Maximalamplitude des Oszillatorstroms, der der Spule zugeführt wird.
Die Amplitude des von den Kernmomenten erhaltenen Signals kann selbsttätig mit der Amplitude eines bekannten Bezugssignals verglichen werden.
Kanal kann die Aufzeichnung der Änderungen des Gehalts an einer bestimmten Kernart durch dieBewegungen einer Servovorrichtung. die z. B. die Abstimmung der Brücke aufrechterhält, erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen. daß die Amplitude der I-> rotonresonanzspitze von Wasser bei Benutzung der \orrichtuug zur Beobachtung der Protonkemresonanz von FonnatioIlen an Ort und Stelle eine Anzeige der iinderung in der Porösität der Formation entlang der Wand des Bohrloches ergibt.
Die beschiebenen, durch das Bohrloch geführten Untersuchungsvorrichtungen können mit anderen elektrischen Untersuchungseinrichtungen verbunden sein. Zum Beispiel kann bei der Ausführung nach Fig. 7 die Feder 109 mit einem Kissen versehen sein, das gegen die Seitenwand des Bohrloches gedrückt wird und eine Reihe von Elektroden enthält. Diese Elektroden können in bekannter Weise dazu benutzt werden, verschiedene elektrische Widerstandsmessungen in dem Bohrschacht vorzunehmen. Außerdem kann eine Elektrode entweder an dem Tragkabel oder unmittelbar oberhalb des Gehäuses 10 vorgesehen sein, oder in einem Kissen, das an der Feder 107 angebracht ist, um die natürlichen Potentiale zu messen, die entlang des Bohrloches vorhanden sind. So können die Aufzeichnungen der kernmagnetischen Resonanz mit denen einer elektrischen Untersuchung verglichen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Untersuchung von Erdformationen. die von einem Bohrloch durchteuft sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch das Bohrloch hindurchzuführende Einrichtung vorgesehen ist, die in den Bestandteilen des Stoffes, aus dem die Formationen bestehen, paramagnetische Resonanzen erzeugt, die durch Anzeigevorrichtungen angezeigt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung paramagnetischer Resonanz eine Einrichtung vorgesehen ist, die ein erstes. hinsichtlich der Feldrichtung konstantes magnetisches Feld liefert, und eine weitere Einrichtung zur Überlagerung eines zweiten magnetischen Feldes von wechselnder Intensität, das senkrecht zu dem ersten gerichtet ist. wobei entweder die Amplitude des ersten magnetischen Feldes oder die Frequenz des zweiten magnetischen Feldes veränderbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des ersten magnetischen Feldes von konstanter Feldrichtung eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Feldamplitude über einen solchen Bereich oszillieren läßt, daß die paramagnetische Resonanz in einem bestimmten Element der Bestandteile der Erdformation eintritt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes von wechselnder Intensität eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Feldfrequenz einen solchen Bandbereich periodisch durchlaufen läßt, daß die paramagnetische Resonanz in einem bestimmten Element des genannten Materia.lhestandteils eintritt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet. daß die Einrichtung zur Üherlagerung des zweiten Magnetfeldes Spulen aufweist, die mit einem Generator von periodisch sich ändernder Frequenz gekoppelt sind, und daß die Meßeinrichtuiig die Energieaufnahme aus dem genannten Generator, die hei der paramagnetischen Resonanzfrequenz erfolgt, anzeigt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung Induktionsspulen enthält, die senkrecht zu dem erwähnten ersten und zweiten magnetischen Feld fest auge ordnet sind. und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die bei paramagnetischer Resonanz des zu untersuchenden Stoffes in den Spulen auftretende Induktionswirkung anzeigt;
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bewirkung einer periodischen Schwankung der Feldamplitude Mittel enthält, um ein zweites 7usatzfeld von geringerer Amplitude und höherer Frequenz zu übeflagern.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Änderung der Feldfrequenz für ein bestimmtes chemisches Element der Formation eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine zweite periodische Änderung der Feldfrequenz über einen anderen Bandbereich bewirkt, so daß auch in einem anderen Element des Formationsbestandteils paramagnetiseheResonanzeintreten kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des zweiten magnetischen Feldes von wechselnder Intensität Spulen, einen Hochfrequenzgenerator und eine Steuerungsvorrichtung aufweist, die den Spulen kurze starke Impulse vom Generator zuführt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal vorgesehen ist, der den zu untersuchenden Bestandteil des Materials der Formation der Meßvorrichtung zuführt.
11. Vorriehtung nach Anspruch 10 zur Verwen dung in einem Bohrloch, das eine Flüssigkeitssäule enthält, die mindestens teilweise aus einem Stoff mit den zu untersuchenden Bestandteilen besteht gekennzeichnet durch Mittel, die bewirken, daß die Stoffbestandteile mit der Flüssigkeit durch den Kanal der Meßeinrichtung zuströmen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, daß der zu prüfende Bestandteil des die Formation bildenden Stoffes unmittelbar von der Seitenwand des Bohrloches aus in den Kanal eindringt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 9, gekennzeichnet durch ein Geschoß, das mindestens einen Teil der Einrichtung zur Erzeugung der paramagnetischen Resonanzen enthält und in die Wand des Bohrschachtes eintreibbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschoß mit einem Kanal versehen ist, durch den der zu prüfende Bestandteil der Formation in eine Meßkammer eintritt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine in Eingriff mit der Seitenwand des Bohrloches bringbare Einrichtung, die mindestens einen Teil der Vorrichtungen zur Erzeugung der paramagnetischen Resonanz enthält. ~~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 561 490.