DE1041267B

DE1041267B - Method and device for examining geological layers

Info

Publication number: DE1041267B
Application number: DEN13272A
Authority: DE
Inventors: Herman Zierfuss
Original assignee: Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
Current assignee: Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
Priority date: 1956-02-06
Filing date: 1957-02-04
Publication date: 1958-10-16

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen geologischer Schichten Die Erfindung bezieht sich auf ein zum Untersuchen geologischer Schichten geeignetes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben, bei dem eine Wärmequelle in einem Bohrloch bewegt und ein durch diese Wärmequelle beeinflußter Temperaturunterschied gemessen wird. Method and device for examining geological layers The invention relates to one suitable for examining geological layers Method and apparatus for carrying out the same in which a heat source moves in a borehole and a temperature difference influenced by this heat source is measured.

Ein Verfahren, das ein Bild der thermischen Leitfähigkeit der Formation liefert, ist aus dem USA.-Patent 2 274248 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird die Temperatur in dem Bohrloch oberhalb und in der Nähe der Wärmequelle gemessen. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zwar auch - wie bei dem bekannten Verfahren - eine Wärmequelle in einem Bohrloch abgesenkt und eine durch diese Wärmequelle beeinflußte, von der thermischen Leitfähigkeit der geologischen Schichten abhängige Temperatur gemessen, jedoch wird hierbei die erzeugte Wärme durch einen festen Wärmeleiter einer Schicht zugeleitet und der Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten des Wärmeleiters mit verschiedenem Abstand vom Berührungspunkt des Wärmeleiters an der Schicht ermittelt. Auf diese Weise ist es möglich, diesen Temperaturunterschied während der Bewegung, d. h. während des Absenkens oder Hebens der Wärmequelle und des Wärmeleiters, in dem Bohrloch zu ermitteln, so daß man Angaben über die aufeinanderfolgenden Formationen erhalten kann. A process that gives a picture of the thermal conductivity of the formation is known from U.S. Patent 2,274,248. In the known method measured the temperature in the borehole above and near the heat source. In the method according to the invention, although - as in the known method - one heat source lowered in a borehole and one through this heat source influenced, depending on the thermal conductivity of the geological layers Temperature measured, but here the generated heat is passed through a solid heat conductor fed to a layer and the temperature difference between two points of the Heat conductor at different distances from the point of contact of the heat conductor on the Shift determined. In this way it is possible to reduce this temperature difference during movement, d. H. while lowering or raising the heat source and of the heat conductor in the borehole, so that one can get information about the successive Can receive formations.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Bauteil auf, welches in an sich bekannter Weise mittels einer in dem Bohrloch heb- und senkbaren Halteeinrichtung in Berührung mit der Bohrlochwand gehalten wird. Das Neue besteht darin, daß das in Berührung mit der Bohrlochwand gehaltene Bauteil einen massiven Wärmeleiter aufweist, der auf einer Seite eine Fläche besitzt, mit der er die Bohrlochwand berührt, während auf der anderen Seite eine Wärmequelle angebracht ist; ferner umfaßt dieser Bauteil einen isolierenden Mantel, der die Wärmequelle und den Wärmeleiter mit Ausnahme der Berührungsfläche umschließt, sowie Mittel zum Messen des Temperaturunterschiedes zwischen zwei Punkten des Wärmeleiters, welche zwischen der Wärmequelle und der Berührungsfläche liegen. Die Mittel zum Messen des Temperaturunterschiedes zwischen diesen beiden Punkten des Wärmeleiters weisen vorzugsweise ein Thermoelement auf, bei dem der die beiden Punkte miteinander verbindende elektrische Leiter durch den Wärmeleiter gebildet wird. The device according to the invention has a component which is shown in in a manner known per se by means of a holding device that can be raised and lowered in the borehole is kept in contact with the borehole wall. The new thing is that that component held in contact with the borehole wall has a solid heat conductor, which has a surface on one side with which it touches the borehole wall, while a heat source is attached on the other side; this component also includes an insulating jacket that covers the heat source and the heat conductor except enclosing the contact area, as well as means for measuring the temperature difference between two points of the heat conductor, which between the heat source and the Contact surface. The means of measuring the temperature difference between these two points of the heat conductor preferably have a thermocouple, in which the electrical conductor connecting the two points through the Heat conductor is formed.

Einerseits ist es mittels der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung möglich, die Messung so vorzunehmen, daß ein Energieverlust infolge Wärmeabgabe an den Spülschlamm oder an nicht zu untersuchende Erdschichten zu vermeiden ist, da das Heizelement mit dem Wärmeleiter direkt mit der zu untersuchenden Schicht in Berührung steht. Hierdurch ist die Messung gegenüber den Messungen mit den bekannten Vorrichtungen mit einem geringeren Energieaufwand möglich. Weiterhin weist die neue Vorrichtung aber auch noch den Vorteil auf, daß die übergangsstelle, durch welche Wärme von dem Heizelement in die zu untersuchende Schicht geleitet wird, allein durch die Größe der Kontaktfläche des Wärmeleiters bestimmt wird, so daß die Messung der Wärmeleitfähigkeit einer bestimmten Schicht nicht von benachbarten Schichten beeinflußt wird und sich die Grenzen zwischen nebeneinanderliegenden Schichten der Formation daher in der Aufzeichnung scharf unterscheiden. On the one hand, it is possible by means of the measuring device according to the invention, to carry out the measurement in such a way that there is a loss of energy as a result of heat transfer to the drilling fluid or on layers of earth that are not to be investigated, as the heating element with the heat conductor directly with the one to be examined Layer is in contact. As a result, the measurement is in contrast to the measurements with the known devices possible with less energy expenditure. Furthermore, the new device but also has the advantage that the transition point through which heat from the heating element is passed into the layer to be examined, solely through the Size of the contact area of the thermal conductor is determined so that the measurement of thermal conductivity a certain layer is not influenced by neighboring layers and is not affected the boundaries between adjacent layers of the formation therefore in the Distinguish recording clearly.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention is described below with reference to schematic drawings explained in more detail using an exemplary embodiment.

Fig. 1 zeigt eine Halteeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Meßelement; Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Meßelement im Schnitt; Fig. 3 veranschaulicht eine Anzahl von verschiedenen Formationen und die zugehörige Aufzeichnung. 1 shows a holding device with a measuring element according to the invention; Fig. 2 shows the measuring element according to the invention in section; Fig. 3 illustrates a number of different formations and the associated record.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein elektrisches Kabel, an dem eine Halteeinrichtung2 aufgehängt ist. Die Halteeinrichtung 2 läßt sich in einem Bohrloch mit Hilfe des Kabels 1, das sich bis zu einer oberhalb der Erdoberfläche liegenden Stelle erstreckt, nach oben und unten bewegen. Sie besteht aus einer hohlen Stange 3 und mehreren Bügeln 4 und 5, wobei die Anordnung derart ist, daß ein an dem Bügel 4 befestigtes Nießelement 6 in Berührung mit der Wandung des Bohrlochs gehalten werden kann. Das NIeßelement 6 ist an das elektrische Kabel 1 mittels eines teilweise innerhalb des Stabes 3 angeordneten elektrischen Kabels 7 angeschlossen. In Fig. 1, reference numeral 1 denotes an electric cable, an which a holding device 2 is suspended. The holding device 2 can be in one Borehole with the help of the cable 1, which extends up to one above the surface of the earth lying spot, move up and down. It consists of a hollow one Rod 3 and several brackets 4 and 5, the arrangement being such that one on attached to the bracket 4 Usage element 6 in contact with the wall of the borehole can be held. The NIeßelement 6 is on the electrical cable 1 by means of an electrical cable partially arranged within the rod 3 7 connected.

Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Meßelement 6 aus einem Gehäuse 8 mit Augen 9 zur Befestigung an dem Bügel 4 besteht. In dem Gehäuse 8 ist ein Wärmeleiter 10 angeordnet, der z. B. aus Kupfer hergestellt ist. Dieser Wärmeleiter 10 besteht aus einem Rohr 11, das an einem Ende in einen Körper 12 mit einer Kontaktfläche 13 übergeht, während sich an das andere Ende des Rohrs ein Flansch 14 anschließt. Auf beiden Seiten des Flansches 14 liegt ein ringförmiges elektrisches Heizelement 15, das auf seiner von dem Flansch 14 abgewandten Seite sowie auf der Innenseite mit einer wärmeisolierenden Schicht 16 versehen ist. Zwischen dem Gehäuse 8 und dem Wärmeleiter 10 nel>st dem Heizelement 15 ist ein wärmeisolierender Niantel 17 so angeordnet, daß die von dem Heizelement 15 gelieferte Wärme im wesentlichen nur über die Berührungsfläche 13 des Wärmeleiters 10 abgeführt werden kann. From Fig. 2 it can be seen that the measuring element 6 consists of a housing 8 with eyes 9 for attachment to the bracket 4. In the housing 8 is a heat conductor 10 arranged, the z. B. is made of copper. This heat conductor 10 is made from a tube 11 which at one end into a body 12 with a contact surface 13 passes, while a flange 14 is connected to the other end of the tube. On either side of the flange 14 is an annular electrical heating element 15, on its side facing away from the flange 14 and on the inside is provided with a heat insulating layer 16. Between the housing 8 and the heat conductor 10 nel> st the heating element 15 is a heat-insulating niantel 17 arranged so that the heat supplied by the heating element 15 is substantially can only be discharged via the contact surface 13 of the heat conductor 10.

Das Kabel 7 tritt durch eine oeffnung im Boden des Gehäuses 8 in dieses ein. Es handelt sich um ein Vierleiterkabel; zwei Leiter bzw. Adern sind mit den Zuleitungen 18 und 19 des Heizelements 15 verbunden, und zwei Adern sind an die Drähte 20 und 21 angeschlossen. Die Drähte 20 und 21 sind in an den Enden des Rohrs 11 vorgesehenen Öffnungen 22 bzw. 23 befestigt und bilden zusammen mit dem Rohr 11 ein Thermoelement. Zu diesem Zweck können die Drähte 20 und 21 beispielsweise aus Kontantan bestehen. The cable 7 enters through an opening in the bottom of the housing 8 in this one. It is a four-wire cable; there are two conductors or veins connected to the leads 18 and 19 of the heating element 15, and two wires are connected to wires 20 and 21. The wires 20 and 21 are in at the ends of the tube 11 provided openings 22 and 23 respectively and form together with the tube 11 a thermocouple. For this purpose the wires 20 and 21 can for example consist of Kontantan.

Während der Benutzung des Geräts kann man die Halteeinrichtung 2 kontinuierlich vom oberen Ende zum Boden eines Bohrlochs oder vom Boden zum oberen Ende bewegen, wobei dem Heizelement 15 ein konstanter Strom zugeführt wird und wobei die Spannung zwischen den Drähten 20 und 21 aufgezeichnet wird, während ständig Tiefenmessungen vorgenommen werden. Die erhaltene Spannung richtet sich nach dem Temperaturunterschied zwischen den Öffnungen 22 und 23 und somit nach der Wärmeströmung durch das Rohr 11, die ihrerseits von der thermischen Leitfähigkeit der Formation abhängt, mit der die Fläche 13 in Berührung steht. Auf diese Weise erhält man eine Aufzeichnung über die Wärmeleitfähigkeit der Schichten, wobei eine verhältnismäßig hohe Spannung eine verhältnismäßig große Wärmeleitfähigkeit anzeigt. While the device is in use, the holding device 2 continuously from the top to the bottom of a borehole or from the bottom to the top Move end, the heating element 15 is supplied with a constant current and wherein the tension between wires 20 and 21 is recorded while continuously Depth measurements are made. The voltage obtained depends on the Temperature difference between the openings 22 and 23 and thus according to the heat flow through the pipe 11, which in turn depends on the thermal conductivity of the formation depends with which the surface 13 is in contact. This is how you get one Record of the thermal conductivity of the layers, one being relative high voltage indicates a relatively high thermal conductivity.

Um die Wärmeleitfähigkeit einer Schicht in einer bestimmten Tiefe in dem Bohrloch zu messen, kann man die Halteeinrichtung 2 in der betreffenden Tiefe zum Stillstand bringen, wobei man die Spannung des Thermoelements während einer bestimmten Zeitspanne aufzeichnet, während durch das Heizelement 15 ein konstanter Heizstrom fließt. Als diese Zeitspanne kann man z. B. diejenige Zeit wählen, die verstrichen ist, seit der Heizstrom eingeschaltet wurde und bis der Wärmestrom durch den Wärmeleiter 10 im wesentlichen konstant geworden ist. About the thermal conductivity of a layer at a certain depth To measure in the borehole, one can hold the holding device 2 at the relevant depth Bring to a standstill, taking the voltage of the thermocouple during a records a certain period of time, while by the heating element 15 a constant Heating current flows. As this period of time you can z. B. choose the time that has elapsed since the heating current was switched on and until the heat flow through the heat conductor 10 has become essentially constant.

Um die Wärmeleitfähigkeit der Schichten in verschiedenen Tiefen des Bohrlochs zu messen, kann man die Halteeinrichtung 2 intermittierend bzw. schrittweise innerhalb des Bohrlochs bewegen, wobei die Spannung des Thermoelements für die gewählten Tiefen des Bohrlochs aufgenommen wird. Bei jeder gewählten Tiefe schickt man einen konstanten Strom durch das Heizelement 15, während die Spannung des Thermoelements als Funktion derjenigen Zeit auf- genommen wird, die seit dem Einschalten des Heizstroms und dem Beginn der Energiezuführung zu der Wärmequelle verstrichen ist. Die Länge der vergangenen Zeit, während welcher die Thermospannung bei den verschiedenen Tiefen aufgenommen wird, kann in jedem Falle die gleiche sein, oder man kann die Länge dieser Zeitspannen variieren, indem man z. B. die Spannung als Funktion derjenigen Zeit aufzeichnet, die verstrichen ist, seitdem der Heizstrom jeweils bei der betreffenden Tiefe eingeschaltet wurde und bis der Wärmestrom durch den Wärmeleiter 10 im wesentlichen konstant geworden ist. To improve the thermal conductivity of the layers at different depths of the To measure the borehole, the holding device 2 can be used intermittently or gradually move within the borehole, taking the voltage of the thermocouple for the chosen Depths of the borehole is recorded. At each chosen depth you send one constant current through the heating element 15 while the voltage of the thermocouple as a function of that time taken since the heating current was switched on and the beginning of the supply of energy to the heat source has elapsed. The length the elapsed time during which the thermoelectric voltage at the different depths recorded can be the same in each case, or one can choose the length these time periods vary by e.g. B. the voltage as a function of those Records the time that has elapsed since the heating current in each case at the relevant Depth was turned on and until the heat flow through the heat conductor 10 substantially has become constant.

Bei einem an mehreren Formationen durchgeführten Versuch zeigte es sich, daß der Wärmestrom durch den Wärmeleiter nac'n Ablauf von etwa 15 Minuten im wesentlichen konstant wurde; die während dieses Versuchs aufgenommene Thermospannung zeigt eine gute Übereinstimmung mit denjenigen Aufzeichnungen, die man erhielt, wenn das Meßgerät bzw. die Sonde kontinuierlich an der Formation vorbeibewegt wurde. In a test carried out on several formations, it showed that the heat flow through the heat conductor after about 15 minutes became substantially constant; the thermal voltage recorded during this experiment shows good agreement with the records obtained when the gauge or probe was continuously moved past the formation.

Fig. 3 zeigt als Beispiel eine Aufzeichnung dieser Art, die in einem künstlichen Bohrloch aufgenommen wurde. Für die Zwecke dieses Versuchs wurden mehrere runde Platten aus Stein, die jeweils eine zentrale Offnung aufwiesen, miteinander verkittet; der auf diese Weise entstandene Hohlzylinder besaß einen Außendurchmesser von 60 cm und einen Innendurchmesser von 6 cm. Es waren elf Platten vorhanden, wobei es sich bei der Betrachtung von oben nach unten um folgende Materialien handelte: poröser Kalkstein 24, dichter Kalkstein 25, Sandstein 26, Sandstein 27, zwei Platten aus dichtem Kalkstein 28, poröser Kalkstein 29, Sandstein 30, poröser Kalkstein 31, Sandstein 32 und poröser Kalkstein 33. Sämtliche Platten besaßen eine Dicke von je 10 cm. Fig. 3 shows, as an example, a record of this type, which is in a artificial borehole was added. For the purposes of this experiment several round slabs of stone, each with a central opening, with each other cemented; the hollow cylinder produced in this way had an outside diameter of 60 cm and an inner diameter of 6 cm. There were eleven plates available, with When looking from top to bottom, the following materials were involved: porous limestone 24, dense limestone 25, sandstone 26, sandstone 27, two slabs of dense limestone 28, porous limestone 29, sandstone 30, porous limestone 31, sandstone 32 and porous limestone 33. All slabs were thick of 10 cm each.

Die Halteeinrichtung wurde vom Boden des Bohrlochs zum oberen Ende mit einer Geschwindigkeit von 30 cm in der Minute bewegt, und durch das Heizelement 15 wurde ein konstanter Strom hindurchgeschickt. Die Schaulinie 34 gibt in Millivolt die verstärkte Spannung des Thermoelements wieder. Man erkennt, daß man auf diese Weise eine Aufzeichnung erhält, mittels deren man die Lage der Berührungsflächen zwischen verschiedenen Formationen bestimmen und die Formationen in verschiedenen Bohrlöchern in gegenseitige Beziehung bringen kann. The fixture went from the bottom of the borehole to the top moved at a speed of 30 cm per minute, and through the heating element 15 a constant current was sent through it. The sight line 34 gives in millivolts the increased voltage of the thermocouple again. You can tell that you are looking at this Way, a record is obtained by means of which the position of the contact surfaces is obtained determine between different formations and the formations in different Can bring boreholes into mutual relationship.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß der Kitt oder Zement zwischen den verschiedenen Steinplatten, z. B. zwischen den beiden Platten 28 eine Störung hervorgerufen hat. Ferner liegt es auf der Hand, daß man eine gewisse Zeit benötigt, bis sich in dem Wärmeleiter 10 ein Wärmegleichgewicht eingestellt hat, so daß der Verlauf der Linie 34 an den Ubergangsstellen zwischen den verschiedenen Steinplatten nicht immer scharf ausgeprägt ist. Es läßt sich jedoch deutlich feststellen, daß die Wärmeleitfähigkeit des dichten Kalkstein 28 höher ist als diejenige der porösen Kalksteinplatten 24, 29, 31 und 33. From Fig. 3 it can be seen that the putty or cement between the various Stone slabs, e.g. B. has caused a disturbance between the two plates 28. It is also obvious that it takes a certain amount of time to get into the Heat conductor 10 has set a thermal equilibrium, so that the course of the line 34 not always sharp at the transition points between the various stone slabs is pronounced. However, it can be clearly seen that the thermal conductivity of the dense limestone 28 is higher than that of the porous limestone slabs 24, 29, 31 and 33.

Claims

PATENT TRANSMISSION 1. Procedure for examining geological strata, in which one heat source is lowered into a borehole and one through this heat source influenced, depending on the thermal conductivity of the geological layers Temperature is measured, characterized in that the heat generated by a solid heat conductor fed to a layer and the temperature difference between two points of the heat conductor at different distances from the point of contact of the thermal conductor on the layer is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature difference during movement of the heat source and the heat conductor through the borehole is determined.

3. The method according to claim 1, characterized in that the heat source together with the heat conductor kept at a certain depth and the temperature difference is determined as a function of time during a predetermined period of time.

4. The method according to claim 3, characterized in that the temperature difference is determined as a function of time during a period ending when the temperature difference has become essentially constant.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the heat source together with the heat conductor gradually through the geological Layers moved through and the temperature difference as a function of time in different depths of the borehole is determined. O.

Device for examining geological layers in which a component of this device by means of one in one Borehole lowerable and liftable holding device in contact with the wall of the borehole is held to carry out the method according to claim 1 to 5, characterized in that that the component (6) held in contact with the borehole wall is a solid heat conductor (10, 11, 14), which at one end has a contact surface (13) for contact the wall of the borehole and at the other end has a heat source (15), and a the heat source (15) and the heat conductor (10, 11, 14) with the exception of the contact surface (13) enclosing insulating jacket (17) is attached and a device (20 to 23) for measuring the temperature difference between two points (22, 23) of the Heat conductor (11) between the heat source (15) and the contact surface (13) lie.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the device for measuring the temperature difference between two points (22, 23) of the heat conductor comprises a thermocouple and that of the two sensitive connection points of the thermocouple interconnecting electrical conductors (20, 21) through the Heat conductor (11) is formed.