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Gerät zur Bestimmung des Einfallswinkels und Einfallsazimuts von durch
ein. Bohrloch durchteuften geologischen Schichten Die Erfindung bezieht sich auf
ein Gerät zur Bestimmung des Einfallswinkels und des Einfallsazimuts von durch ein
Bohrloch durchteuften geologischen Schichten.
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Zu diesem Zweck wtirde bisher die Lage der geologischen. Formationen
im Verhältnis zu einem Gerät in dem Bohrloch und wiederum die Lage des Geräts gegenüber
der senkrechten und der Nordrichtung festgestellt. Dies geschah beispielsweise in
der Weise, daß das Bohrlocherät mit gebogenen Federn ausgestattet wurde, die drei
kleine Elektroden gegen die Bohrlochwand preßten, wobei die Elektroden in einer
senkrechten Ebene zur Achse des Geräts, gleich verteilt um diese, lagen. Innerhalb
des Geräts waren ein magnetischer Kompaß, ein konkaver Teil, der eine Kugel trug,
und ein fotografischer Apparat angeordnet. Wenn ein solches Gerät im Bohrloch hochgezogen
wird, werden an der Erdoberfläche drei Widerstandsaufzeichnungen bzw, solche spontaner
Potentiale gewonnen, und die Relatiwerschiebung der drei Kurven, die erforderlich
ist, um sie in Längsreihung zu bringen, ist ein Maß für das Einfallen der Schichten
relativ zum Gerät, Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Bestimmung des Einfallswinkels
und Einfallsazimuts von durch ein Bohrloch durchteuften geologischen Schichten,
das ausgestattet ist mit einer längs des Bohrloches bewegbaren Elektrodenanordnung,
die eine langgestreckte Elektrode und zusätzliche, gegenüber dieser isolierte Elektroden
aufweist, sowie Mitteln, um die langgestreckte Elektrode und die zusätzlichen Elektroden
im wesentlichen auf der gleichen Spannung zu halten, und Mitteln, um Anzeigen über
die von den zusätzlichen Elektroden ausgehenden Strume zu erhalten ; gemäß der Erfindung
werden diese zusätzlichen Elektroden von zumindest drei relativ kleinen Elektroden
gebildet, die im Abstand voneinander um die Längsachse der langgestreckten Elektrode
angeordnet sind.
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Es können dabei Mittel vorgesehen sein, um die Orientierung der Elektrodenanordnung
gegenüber der Nord-un Ventikalrichtung £estzustellen, wenn-die ElektradenMiordnüng
i-n'einem Bohrloch aufgehängt ist.
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Dadurch, klaß. man nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung
die langgestreckte Elektrode-zylindrisch ausbildet und die kleinen Elektroden in
einer senkrechten Ebene zur Achse der langgestreckten Elektrode verteilt wählt,
ist es möglich, Widerstandsaufzeichnungen zumindest längs dreier Profile des Bohrloches
zu erhalten, indem man den Widerstand gegen die von den Strombündelungselektroden
ausgehenden Ströme mißt, wenn sie mit Strom gespeist werden. Die kleinen Strombündelungseiek-
troden
bilden relativ kleine elektrisch isolierte Teile in der verhältnismäßig großen Leitflache,
die die Abschirmelektrode bildet. Wenn daher die Abschirm-und die Strombündelungselektroden
auf derselben oder nahezu derselben Spannung gehalten werden, hat die große Leitfläche,
die die Strombündelungselektroden umgibt und abschirmt, zur Folge, daß von jeder
der Strombiindelungselektroden ein gut foussierendes Bündel ausgesandt wird.
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Eine Reihe fotografischer Aufnahmen des Kompasses und des die Kugel
tragenden konkaven Teils in aufeinanderfolgenden Niveauhöhen in dem Bohrloch geben
die Orientierung des Geräts gegenüber der Senkrechten und dem magnetischen Nordpol
wieder.
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Die Erfdindung bezweckt, diese bekannten, durchaus mit guter Geauigkeit
arbeitenden räten-weiter zu vervollkommnen, um den Winkel und die azimutale Richtung
des Einfallens von durch ein Bohrloch durchteuften Erdschichten mit großer Genauigkeit
zu bestimmen, ohne daß. gegen, die Seitenwand des Bohrloches angepreßte Elektroden
benötigt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfid g ergeben sich aus nachfolgenden Figurenerläuterungen.
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Fig. l ist ein Längsschnitt durch ein Bohrlochgerä@ gemäß der Erfindung
in der Arbeitslage, Fig. 2 ist ein Querschnitt entsprechend der Schnittlinie 2-2
der Fig. 1; Fig.. 3 ist ein Schaltschema, teilweise in Blockform, eines'Verstärkers'und
einer Krafteinheit zur Verwendung bei einem Gerät gemäß Fig. 1 ;
Fig.
4 veranschaulicht im I, ängsschnitt eine andere Ausführungsform der Erfindung ;
Fig. 5 ist eine dem Horizontalschnitt gemäß Fig. 2 ähnliche Darstellung einer anderen
Ausführungsform der Erfindung.
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Das in der Fig. 1 dargestellte Gerät gemäß der Erfindung besitzt
ein Gehäuse oder einen Träger 10, der in einem Bohrloch 12 an einem armierten elektrischen
Kabel 11 aufgehängt ist. Das Bohrloch 12 durchteuft Erdformationen 13 und ist mit
einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 14 gewöhnlich in der Form einer Bohrlochspülung
angefüllt.
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Das Gehäuse 10 weist einen hohlzylindrischen, langgestreckten Mittelabschnitt
15 auf, der aus elektrisch leitendem Material besteht. Der Abschnitt 15 wird als
Abschirmelektrode bezeichnet, deren physikalische Eigenschaften noch näher erläutert
werden.
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An den Mittelabschnitt 15 schließen sich obere und untere Abschnitte
16 und 17 gleichen Dufchmessers an, die zusammen mit dem Mittelabschnitt eine druckfeste
Hülle bilden. Die Abschnitte 16 und 17 bestehen aus Isoliermaterial oder auch aus
leitenden Stutzen, die außen mit einer Isolierschicht bedeckt sind. Jeder der oberen
und unteren Abschnitte ist mit einem Satz gebogener Federn 19 und 20 ausgestattet,
die sich pressend an die Seitenwand des Bohrlochs 12 anlegen und dadurch das Gehäuse
10 axial ausgerichtet in dem Bohrloch halten.
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In einer Ebene senkrecht zur Achse des zylintlrischen Abschnitts
15 sind drei zylindrische Öffnungen 21 a, 21 b und 21 c vorgesehen, die gemäß Fig.
2 in gleichen Abständen um den Zylinder herum vorgesehen sind. In jede der Offnungen
sind zylindrische Buchsen 22 a, 22 b und 22 c aus Isoliermaterial dicht eingepaßt,
und jede der Buchsen dient zur dichten Aufnahme einer elektrisch leitenden Scheibe
23 a, 23 b und 23 c, die nachstehend mit Strombündelungselektroden bezeichnet werden.
Die Buchsen sind in die (Dffnungen und die Strombiindelungselektroden in die Buchsen
so dicht eingefügt, daß keine Flüssigkeit in das Gehäuse 10 eindringen kann.
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Da die Offnungen 21 a, 21 b und 21 c in gleichen Abständen um den
Zvlinder 15 herum angeordnet sind, liegen die Elektroden 23 a, 23 b und 23 c in
der vorerwähnten Horizontalebene um i20° versetzt. Die Stromaustrittsflächen der
Strombündelungselektroden sollen im Verhältnis zur Größe der Außenfläche der Abschirmelektrode
relativ klein sein.
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Um das beschriebene Elektrodensystem unter Strom zu setzen, ist die
eine der Ausgangsklemmen einer an der Erdoberfläche angeordneten Wechselspannungsquelle
24 an der Stelle 25 geerdet und liefert einen gleichmäßigen Strom iiber einen Schalter
26 und eine elektrisch isolierte Leitung 27 im Kabel il an eine Verstärker-und Krafteinheit
28 innerhalb des Gehäuses 10. Die Einheit 28 wird noch im einzelnen beschrieben
werden und liefert über eine Verbindung 29 einen konstanten Strom an die Abschirmelektrode
15. Leiter 30 a, 30 b und 30 c, die übe. r entsprechend niedrige, nicht gezeichnete
Impedanzen mit dem Leiter 29 galvanisch gekoppelt sind, führen von der Einheit 28
zu den Strombündelungselektroden 23 a, 23 b und 23 c, um sie auf etwa der gleichen
Spannungshöhe zu halten wie die Abschirmelektrode. Von der Einheit 28 werden drei
gleichgerichtete Spannungen, die den von den Strombündelungselektroden abfließenden
Strömen entsprechen, entnommen und diese werden einzeln iiber elektrisch isolierte
Leiter 31, 32 und 33 im Kabel 11 einer üblichen registrierenden Voltmetereinheit
34 zugeleitet, die sich an der
Erdoberfläche befindet. Das Voltmeter 34 ist auch
mit dem Leiter 27 verbunden und zeichnet vorzugsweise die drei Spannungen auf drei
Bahnen eines gemeinsamen Registrierstreifens auf, der proportiona. 1 zur Bewegung
des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 12 in an sich bekannter Weise verschoben wird.
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Um die azimutale und senkrechte Orientierung des Gehäuses 10 zu bestimmen,
kann ein bekannter Neigungsmesser benutzt werden. Zum Beispiel kann ein magnetischer
Kompaß 35 in dem unteren Gehäuseabschnitt 17 unterhalb eines konkaven Teiles 36
aus durchsichtigem Material, der eine durchsichtige Rollkugel 37 trägt, drehbar
angeordnet sein. Eine tuber dem Teil 36 angeordnete Blende 38 ist mit einer geeigneten
Öffnung 39 ausgestattet, durch die ein fotografisches Bild des Kompasses 35, der
Kugel 37 und einer Bezugsmarke 36'auf dem konkaven TeitI 36 auf einem fotoempfindlichen
Film 40 gewonnen werden kann, der sich an der Öffnung 39 vorbeibewegt.
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Lichtquellen 41, die unterhalb der Blende 38 zur Beleuchtung des Kompasses
35, der Marke 36'und der Kugel 37 angeordnet sind, und d ein Antriebsmotor 42 zur
Bewegung des Films 40 sind durch Leiter 43, 44 und 45 an die Einheit 28 angeschlossen,
die, wie später noch im einzelnen beschrieben werden wird, wahlweise die Lichtquellen
41 und den Motor 42 entsprechend der im voraus festgelegten Betätigung des Schalters
26 mit Energie versorgt. Es ergibt sich nun, daß, wenn die Anordnung in einem Bohrloch
aufgehängt ist, die Ausstreuung des Strombündels in der Horizontalebene hauptsächlich
durch die Winkel bestimmt ist, die dieRichtungen derErdformationsschichten mit der
Achse der Abschirmelektrode 15 einnimmt, radiale Symmetrie der Strombündelungselektroden
23a, 23 b und 23 c voraussetzt. Dagegen hängt die Ausstreuung desselben in der vertikalen
Richtung nicht nur von der Lange und Form der Abschirmelektrode, sondern auch von
den relativen Widerständen der Medien ab, die von den fokussierten Strombündeln
hetroffen werden.
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Es ist natürlich wünschenswert, daß ein Strombündel an der Stelle,
wo es auf die Bohrlochwand trifft, einen sehr kleinen Querschnitt haben sollte,
während dieser Querschnitt sonst möglichst breit sein sollte. Eine solche Form gewährleistet,
daß der überwiegende Teil des dem Strombündel entgegengestellten Widerstandes an
der Bohrlochwand auftritt.
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Indessen ist die Form des Strombündels, wenn es durch die während
der Messung in-dem Bohrloch vorhandene Bohrlochspülung hindurchgeht, nicht von entscheidender
Bedeutung, so lange, wie sie wahrscheinlich durch Formationsänderungen verhältnismäßig
unbeeinflußt bleibt, da der Widerstand dieses Teiles der Strombahn nahezu konstant
und bei den meisten Bohrlochflüssigkeiten niedrig ist. Indes ist es wichtig, daß
das Eindringen des Strombündels in die Schicht auf kleiner Fläche erfolgt, so daß
das Bündel, sobald es aus dem Bohrloch austritt, rasch divergiert. In der senkrechten
Ebene kann dieser Effekt durch geeignete Wahl der Abmessungen des Elektrodensystems
erreicht werden. Vorzugsweise sollte der Durchmesser der Abschirmelektrode 15 etwa
ein Viertel bis die Hälfte desjenigen des Bohrloches und ihre gesamte Lange etwa
die Hälfte bis zum Fünffachen des-Bohrlochdurchmessers betragen.
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Die Größe und Form einer Strombündelungselektrode sind die Hauptfaktoren,
die den Querschnitt des Strombündels bestimmen, wenn es auf die Bohrlochwand auftrifft.
Danach richtet sich dann-auch die Arbeitsweise des Meßsystems. Die Trennschicht
zwischen
zwei Gesteinsschichten ist sehr selten weniger als 1,
5 mm stark, und zwar entweder infolge eines kurzen Ubergangs von einer Gesteinsart
auf eine andere oder infolge von Unregelmäßigkeiten in der Fläche der Trennschicht.
1, 5 mm ist demnach die Stärke, die nach Möglichkeit entdeckt werden soll.
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Dies läßt sich mit einem Bündel erreichen, das das . Zehnfache dieser
Stärke in der Senkrechten nicht übersteigt. In Fällen, wo das Bündel fokussiert
wird, so daß sich seine Stärke zwischen der Strombündelungselektrode und der Bohrlochwand
höchstens verdoppelt,gibt man der Strombündelungselektrode eine Höhenabmesung von
ungefähr 7,5 mm. Vorzugsweise wird eine kreisförmige Strombündelungselektrode in
den Abschirmelektrodenkörper eingesetzt, von 7, 5mm in der Horizontalebene schafft
ein genügend enges Bündel.
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Für die untersuchungen wird das Gehäuse 10 durch das Bohrloch @ilit
geschlossenem Schalter 26 gezogen.
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Da die Abschirm und Strombündelungselektroden auf demselben Potential
gehalten werden, fließen Strome von den Elektroden 23a, 23b und 23c in Form von
drer fokussierten Bündeln, die mit den strichpunktierten Linien 23a', 23b' und 23c'
in den Fig. 1 und 2 angdeutet sind. Die Größe der Ströme aus den Strombundelungselektroden
hängt von dem spezifischen Widerstand der Erdformation 13 ab. Da die Dem Sprannungsmesser
34 über die Leiter 31, 32 und 33 angeführten Sapnnungen von diesen Strömen abhangig
sind, werden gleichzeitig drei Kurven des spezifischen elektrischen Widerstandes
aufgezeichent.
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Infolge der Anwendung von fokussierten Bündeln ergebendieseAufzeichnungen
genau lokalisierte Angeben über Änderungen im Widerstand in drei Zonen gleicher
Entfernung um die Längsachse des Gehäuses 10 herum. Infolge des horizontalen wie
vertikalen Fokussierens jedes Bündels findet nur ein geringes oder überhaupt kein
Streuen des Bündels statt, bevor es nicht in die Wand des Bohrloches eindringt.
Jede Aufzeichnung gibt somit genauen Aufschluß über Anderungen des Widerstandes
zwischen aufeinanderfolgenden Schichten, mögen diese Änderungen auch gering sein.
Demgemäß gibt die Längstrennung der drei Kurven sehr genau die Neigung der Schichten
relativ zum Gehäuse 10 wieder.
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Sollen fotografische Aufnahmen der KompaBstellung der Kugellage und
der Gerätemarke gemacht werden, so wird nunmehr der Schalter 26 einmal aus-und eingeschaltet,
wodurch durch ein Schrittrelais die fotografische Einrichtung in Gang gesetzt wird.
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Eine erneute Aus-Ein-Betätigung setzt diese Einrichtung iiber das
Schrittrelais wieder außer Wirksamkeit, so daß die Aufzeichnung der drei Widerstandskurven
fortgeführt werden kann. Auf diese Weise wird die azimutale und vertikale Orientierung
des Gehäuses 10 in einer Reihe von Höhenniveaus in dem Bohrloch gewonnen.
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Nachdem das Gehäuse aus dem Bohrloch 12 herausgezogen ist, wird der
Film 40 herausgenommen und in bekannter Weise entwickelt. Die Registrierdaten des
Voltmeters 34 und der Filmaufnahme 40 werden dazu benutzt, um. den Winkel und die
Azimutrichtung des Einfallens geologischer Schichten, die von dem Bohrloch 12 durchdrungen
werden, zu bestimmen.
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In Fig. 3 ist ein Schaltschema der Verstärker-und Krafteinheit 28
veranschaulicht. Der Leiter 27 ist über die Primärwicklung 50 eines Transfo'rmatOTS
51 mit dem Leiter 29 verbunden, der zu der Abschirmelektrode 15 führt, Die Leiter
30a, 30b und 30c sind über Primärwicklungen entsprechender Kopplungs-
transformatoren
52a, 52b und 52 c mit dem Leiter 29 verbunden. Die Impedanz jeder dieser Primärwicklungen
ist im Verhältnis zur Impedanz der Strombündelungselektroden 23a, 23b und 23c gegen
die Erdschicht 13 sehr gering, so dlaß sich ein. vernchlässigbarer Spannungsabfall
an diesen Wicklunger ergibt, und die Potentiale der Abschirm- und Strombündelungselektroden
im wesentlichen gleichbleiben.
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Die Sekundärwicklungen der Transifoirmatoren52a, 52 b und 52 c sind
mittels entsprechender Kondensatoren 53a, 53b und 53c auf die Frequenz der Ouelle
24 abgestimmt. Jede Sekundärwicklung ist mit einer entsprechenden Wicklung der Verstärker
54a, 54b und 54 c verbunden, deren Ausgänge über Transformatoren 55 cc, 55 b und
55 c an einzelne Gleichrichter 56a, 56b und 56c angelegt sind. Eine Ausgangsklemme
jedes Gleichrichters ist mit der Leitung 27 verbunden, und die übrigen Ausgangsklemmen
der Gleichrichter stind über Niederfrequenzdrosseln 57a, 57b und 57c mit Leitern
31, 32 und 33 verbunden.
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Die gleichgerichteten Signale aus diesen Gleichrichtern werden durch
die Drosselspulen 57a, 57b und 57c in Verbindung mit der Kapazität zwischen den
Leitern des Kabels 11 erhalten. Wenn hingegen eine zusätzliche Kapazität benötigt
wird, kann sie in den Kreis mit jeder Drosselspule in bekannter Weise eingeschaltet
werden.
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Eine Sekundärwicklung 58 des Krafttransformators 51 ist mit einer
üblichen Kraftzufuhr 58'gekoppelt, die dazu dient, die Verstärker 54a, 54b und 54c
unter Strom zu setzen. Eine andere Sekundärwicklung 58"ist mit einem Schaltrelais
59 üblicher Bauart gekoppelt, dasl dazu dient, die Sekundärwicklung 58" wahlweise
mit den Leitern 43 und 44 und mit den Leitern 43 und 45 zu verbinden.
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Es ist ersichtlich, daß, wenn der Schalter 26 geschlossen ist, Wechselstrom
durch den Leiter 27 zu der Abschirmelektrode und durch die Leiter 30 a, 30 b und
30 c zu den Strombündelungselektrodennießt.
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Änderungen in den von den Strombündelungselektroden fließenden Strömen
bewirken entsprechende Anderungen in der an den Sekundärwicklungen der Transformatoren52i3,
52b und 52 c abgeleiteten Wechselspannung. Diese Spannungen werden verstärkt, bevor
sie an die entsprechenden Gleichrichter angelegt werden. Demgemäß werden gleidhgerichtete
Spannungen über Leiter 31, 32 und 33 dem Registriergerät zugeleitet. Durch Offnen
und Schließen des Schalters 26 wird das Schaltrelais 59 betätigt, um Energie zu
den Lietern 43 und 44 bzw. zu den Leitern 43 und 45 zu speisen. Wenn erwünscht,
kann eine geeignete Anzeigevorrichtung an der Erdoberfläche dazu vorgesehen werden,
um die Stellung eines beweglichen Kantaktes innerhalb des Schaltrelais 59 wiederzugeben.
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Andere Ausgestaltungen für die Abschirmelektrode können Anwendung
nnden. So z. B. kann, wie in Fig. 4 gezeigt ist, eine abgeänderte Elektrode 15'benutzt
werden, die in einem senkrechten Querschnitt, ähnlich wie eine Sanduhr, eine Einschnürung
oder einen Querschnitt 60 verringerten Durchmess, ers besitzt.-Drei Drei Strombündelungselektroden
sind in der Einschnürung 60 zentral angeordnet und in einzelne elektrische Isolatoren
eingesetzt. Zum Beispiel ist die Elektrode 61 an einem im wesentlichen scheibenförmigen
Isolator 62 befestigt, der in seiner Form der angrenzenden Fläche der Einschnürung
60 angepaßt und daran befestigt ist. Ein elektrisch isolierter Leiter 63 geht von
der Elektrode 61 durch abgedichtete Offnungen im Isolator 62 und der Einschnürung
60 in das
Innere der Elektrode 15. Alternativ können die Strombündelungselektroden
in getrennten Ausnehmu. ngen in der A-bschirmelektrode untergel3racht werden, die
gegeüber dieser abzusolieren sind. Es ist ersichtlich, daß die Anordnung der Fig.
4 ein verbessertes Fokutssieren in der senkrechten Ebene zur Folge hat.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 5 besitzt
die Abseihirmelektrode 15" keinen kreisförmingen Querschnitt in der Horizontalen.
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Wie dargestellt, ist die Elektrode dreieckförmig gestaltet, Jede der
sich ergebenden senkrehten Fläche 64a, 64b und 64c, ist mit einer mittleren Öffnung
65 a, 65 b und 65 c ausgestattet, die in einer Horizontalbebene gelgen sind, Wie
bei der Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 ist in jede Öffnung eine Isolierbuchse
66 a, 66 b und 66 c eingesetzt, die wiederum zur Aufnahme der Strombündelungselektroden
67, 67b und 67 c dienen. Es ist ersichtlich, daß die Anordnung der Fig. 5 ein verbessertes
Fokussieren in der Horizontalebene bewirkt. Eine weitere Verbesserung hinsichtlich
des Foku. s, sierens kann dadurch erreicht werden, daß man die Flächen 64a, 64b
und 64c so abändert, daß sie eine zylindrische, nach innen konkave Form gegenüber
der Längsachse der Elektrode 15"bekommen. Kugelige Konkavitäten können darüber hinaus
für zusätzliche& Fokussieren in beiden Ebenen, in der horizontalen und vertikalen,
benutzt werden.
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Wenn erwünscht, kann Gleichstrom für die Erregung des Elektrodensystem
s an Stelle von Weehsel strom, wie erläutert, verwandt werden, in welchem Fall die
Anordnung im Kreis 28 entsprechend abzuändern i, st. Als Alternative zu der Verwendung
einer niedrigen Impedanz zur Aufrechterhaltung des Potentials zwischen der Abschirm-und
den Strombündelungselektroden können diese Elektroden mit einem geeigneten Aterstärker-oder
Servosystem gekoppelt werden, dessen Ausgang dazu dient, den zu der Abschirmelektrode
gespeisten Strom zu steuern, um zwischen der Abschirmelektrode und den Strombündelungselektroden
in bekannter weise im wesentlichen ein Nullpotential aufrechtzuerhalten.
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Obwohl ein fotografischer Neigungsmesser in Fig. 1 gezeigt ist, können
selbstverständlich auch andere Typen verwandt werden. So z. B. können irgendwelche
der üblichen Neigungsmesser Verwendung finden, die elektrische Signale auslösen,
welche die azimutale und senkrechte Orientierung des Gehäuses 10 wiedergeben. Diese
Signale können über zusätzliche Leiter des Kabels 11 an die Erdobernäche zum Zwecke
ihrer Aufzeichnung geleitet werden. Alternativ können irgendwelche der üblichen
Multiplextechniken dazu verwandt werden, um diese, wie andere Signale, über eine
Geringstzahl von Leitern zu befördern.
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Die Erfindung beschränkt sieh nicht auf die be-
schriebenen und dargestellten
Ausführungsbeispiele, sondern,diesesollen,lediglieh den Grundgedanken der Ernndüng
veranachaulidhen.