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Gerät zur Bestimmung der Richtung und Neigung von ein Bohrloch umgebenden
geologischen Schichten Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Bestimmung der
Richtung und Neigung von ein Bohrloch umgebenden geologischen Schichten.
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Ein wichtiges Erfordernis in der geologischen Erkundung ist die Bestimmung
der Richtung und der Neigung der Schichten, die durch ein Bohrloch geschnitten sind.
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Bei den üblichen Verfahren des Erkundungs-Kernbohrens kann man zwar
an den Kernen den Winkel der Schichtebene und der Bohrlochachse messen, die Orientierung
des Kernes gegenüber den Himmelsrichtungen muß aber unter Verwendung verschiedener
mechanischer Einrichtungen mühevoll und langwierig ermittelt werden. Bei verkrümmten
Bohrlöchern ist dieser Vorgang besonders umständlich.
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Es ist bekannt, daß sich einzelne Gesteine in elektrischen Eigenschaften,
wie z. B. elektrischem Widerstand oder elektrochemischen, selbständig entstehenden
Potentialen, unterscheiden. Die Tatsache wird seit Jahrzehnten zur elektrischen
Untersuchung von Tiefbohrlöchern gebraucht. Dabei kann nicht nur ein geologisches
Profil längs des Bohrlochs, sondern auch die Schichtenneigung zur Bohrlochachse
festgestellt werden. Bei einem bekannten, darauf aufbauenden Verfahren wird eine
Meßsonde (Fig. 1) benutzt mit drei Elektroden 1, 2, 3, die in einer zur Bohrlochachse
5 senkrechten Ebene um diese Achse regelmäßig angeordnet sind und gegen die Wand
der Bohrung angedrückt werden. Diese dreipolige Elektrodenanordnung wird in Richtung
der Bohrung bewegt. An drei über Tage aufgestellten Registriergeräten, die durch
drei Adern des Sondenaufhängekabeis mit den drei Elektroden 1, 2, 3 verbunden sind,
wird z. B. die elektrische Spannung an den einzelnen Elektroden in Abhängigkeit
von der Bewegung der Sonde aufgezeichnet. Alle drei Stromkreise sind dabei durch
Erdung der Registriergeräte geschlossen. Man kann auch unter Einschaltung einer
Stromquelle die längs des Bohrlochs variierenden Erdungswiderstände registrieren,
die als Maß des spezifischen Widerstandes der einzelnen Schichten und damit zu deren
Identifizierung dienen können.
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Aus Fig. 1 kann erkannt werden, daß die drei registrierten Kurven
in Richtung der Tiefe gegeneinander verschoben ausfallen, sofern die Schichten,
z. B. die Schicht 4, das Bohrloch nicht senkrecht schneiden. Aus den Tiefendifferenzen
der einer Schicht oder Schichtengrenze zugehörigen Anomalien an den drei registrierten
Kurven läßt sich sowohl der Neigungswinkel der Schicht oder Schichtengrenze wie
auch die Richtung der Schicht oder Schichtengrenze in bezug auf die Lage einer der
drei Elektroden feststellen.
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Die Erfindung bezweckt, das Gerät so zu vervollkommnen, daß sich
mit ihm auch noch weitere Feststellungen treffen lassen, und zwar der Neigungswinkel
der Bohrlochachse gegenüber der Lotrechten, der Azimut
der die Bohrlochachse enthaltenden
vertikalen Ebene und der Winkel, den die die Bohrlochachse und eine der drei Elektroden
enthaltende Ebene mit der zweiten, die Bohrlochachse und eine waagerechte festorientierte
Gerade, z. B. Nord-Süd enthaltende Ebene einschließt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Bohrlochsonde, außer
den drei Elektroden mit aus der Sonde herausragenden Fühlern, ein Kreisel, dessen
Achse als Bezugsrichtung zur Bestimmung der Lage der lotrechten Achsen-Projektion
auf die Horizontalebene und der Lage der Elektroden zu den Himmelsrichtungen in
der Horizontalen dient, ferner zwei mit dem Kreiselrahmen verbundene Meßpotentiometer
sowie zur Bestimmung der Abweichung der Achse der Sonde von der Lotrechten ein Gewichtspendel
mit elektrischem Potentiometer, dessen Läuferstellung durch den Unterschied der
Stellung der Kreiselachse und der Richtung einer der Elektroden gegeben ist, eingebaut
sind.
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In dem über Tage befindlichen Anzeigegerät sind Widerstände eingebaut,
die mit den Widerständen der Potentiometer der Sonde Brückenschaltungen bilden,
sowie Meßinstrumente zur Anzeige von Stromstärken bzw. zur Nullanzeige der Brückenströme.
Die Bohrlochsonde ist mit dem über Tage befindlichen Anzeigegerät durch ein nur
drei Adern enthaltendes Kabel verbunden.
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Zur Ausführung der nacheinander vorzunehmenden Meßschritte dient ein
im Übertagegerät befindlicher Mehrfachschalter, durch dessen Betätigung die jeweils
verlangte Brückenschaltung über in der Sonde befindliche Relais, denen Filter vorgeschaltet
sind, hergestellt wird. Schließlich sind mit den Stellwiderständen verbundene
Skalen
zur Ablesung der Abweichung der Achse des Bohrlochgerätes von der Lotrechten sowie
der Kreiselachse von der Richtung einer der Elektroden und der Bohrlochachse vorgesehen.
Das Kabel mit den drei Adern dient gleichzeitig auch zur Zuführung des Drehstromes
zum Antrieb des Kreisels. Die Verwendung eines Kreisels als Orientiernngsmittel
gestattet die Ausführung von Messungen mit verläßlichen Resultaten, auch in magnetischen
Gesteinen.
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Das gemäß der Erfindung ausgebildete Gerät ist in Fig. 2 als Schaltung
der Sonde und des Übertagegeräts dargestellt.
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Die Meßsonde 6 enthält die eigentliche inkllnometrische Einrichtung,
bestehend aus einem Potentiometer mit Pendelgewicht7 zur Bestimmung der Neigung,
einem kardanisch aufgehängten Kreisel 10 und zwei parallel geschaIteten Potentiometern
8 und 9, deren Schleifer um die Sondenachse drehbar sind, wobei der Schleifer des
Potentiometers 8 mechanisch mit dem äußeren Aufhängerahmen des Kreisels und der
Schleifer des Potentiometers 9 mechanisch mit dem Sondenkörper verbunden sind. Am
unteren Ende der Sonde sind die drei Meßelektroden 1, 2, 3 isoliert von dem Sondenkörper
6 herausgeführt, die in bekannter Weise an die Bohrlochwand angedrückt werden.
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Weiter befinden sich in der Sonde 6 ein polarisiertes Relais 18 und
weitere Gleichstromrelais 19, 20, 21 und 22 sowie Ausgleichswiderstände 23 und 24.
Am Eingang des Aufhängekabels 25 mit nur drei Adern A, M, B ist in der Sonde 6 ein
elektrisches LC-Filter, bestehend aus drei Kondensatoren 12, 13, 14 und drei Drosselspulen
15, 16, 17, angebracht. Der Zweck dieser Teile ergibt sich aus den späteren Ausführungen.
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Über Tage sind am oberen Ende des Kabels 25 folgende Bestandteile
angeschlossen: ein zweites aus drei Kondensatoren 26, 27, 28 und drei Drosselspulen
29, 30, 31 bestehendes elektrisches LC-Filter, ein Gleichstrom-Drehstrom-Umformer
31 a, 32, ein sechspoliger Hauptschalter 33 mit vier Stellungen, eine Registriereinrichtung
mit drei Registriergalvanometern 34, 35, 36 für dreifache Registrierung der elektrischen
Ströme von den Elektroden 1, 2, 3, ein Nullgalvanometer 37, ein Strommesser 38,
eine Gleichstromquelle 39, drei Potentiometer 40, 41, 42 mit linear geteilten Skalen,
Justierspannungsteiler 43 bis 48 und Widerstände 49 bis 51, Regelwiderstände 52,
53, 54, ein Schalter 55 und weiter nicht eingezeichnete Elemente zwecks Kontrolle
und Justierung der ganzen Einrichtung. Die Apparatur ist über Tage mittels einer
Elektrode 56 geerdet. Die Meß-und Regeleinrichtung ist in einem Gehäuse 57 eingebaut.
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Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt: Die Meßsonde 6 wird
in die gewünschte Tiefe des Bohrlochs hinabgelassen und der Kreisel 10 durch Einschaltung
der Stromquelle 39 mittels des Schalters 55 in Gang gesetzt. Der Hauptschalter33
ist hierbei in der Stellung »K«, das Galvanometer 37 samt Widerstand 52 sind hierbei
kurzgeschlossen. Während des Herausziehens der Sonde erfolgt eine dreifache Registrierung
der an Berührungsstellen der Elektroden 1, 2, 3 mit der Bohrlochwand aufgenommenen
elektrischen Ströme mittels der Registriergalvanometer 34, 35, 36 auf gemeinsamen
Film- oder Registrierpapierstreifen. Die Bewegung der Sonde wird an den gewünschten
Stellen, an welchen z. B. der Beobachter eine Anomalie an den registrierten Kurven
festgestellt hat, unterbrochen und das Messen der Lage und der Richtungen vorgenommen.
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Zu diesem Zwecke wird der Schalter 33 zuerst in die Stellung»Z<(
umgestellt. Hierdurch wird die Batterie39 einerseits an die Justierspannungsteiler
43 und 44 einschließlich des Widerstandes 49 und damit an das
Potentiometer 40 und
andererseits an die Kabeladern A, angeschlossen, und zwar derart, daß die Ader A
mit dem Pluspol verbunden ist. Das polarisierte Relais 18 wird so erregt, daß sein
Anker nach links gekippt wird, wodurch an die Adern A, B das Relais 19, welches
mit seinem Kontakt den Pendelschleifer des Potentiometers 7 an die Kabelader M anschließt,
über die Drosselspulen 16, 30, Nullgalvanometer 37 und Begrenzungswiderstand 52
durch den Schalter 33 an den Schleifer des geeichten Potentiometers 40 angeschlossen
wird.
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Gleichzeitig wird die Wicklung des Relais 22 erregt, und durch Anziehen
seines Ankers werden die Elektroden 1, 2, 3 sowie die Symmetriewiderstände 23, 24
von den Kabeladern abgeschaltet. Die Einrichtung in der Sonde 6 ist mechanisch derartig,
daß der Schleifer des Potentiometers 7 immer in lotrechter Ebene ausschwingen kann,
so daß die Lage des Schleifers unmittelbar die Neigung der Bohrlochachse bzw. der
Sondenachse von der Lotrechten bestimmt. Das eigentliche Messen wird durch eine
Brückenmethode durchgeführt, wobei zwei Äste der Brücke durch das Potentiometer
7 mit parallel geschalteten Widerständen der weiteren Potentiometer 8, 9 und Relais
18, 19, 22 sowie mit in Serie geschalteten Widerständen der Kabeladern A, B und
der Drosseln 15, 17, 29, 31 gebildet werden, während die anderen zwei Brücken durch
das Potentiometer 40 mit den angeschlossenen Hilfsspannungsteilern 43, 44 und dem
Widerstand 49 gebildet werden. Die ebenfalls an die Batterie 39 angeschlossenen
Potentiometer 41,42 mit Hilfsspannungsteilern45 bis 48 und Widerständen 50, 51 wirken
bei dieser Hauptschalterstellung )>Z« nicht als Teile der Brückenschaltung, da
die Schleifer der Potentiometer 41, 42 frei sind.
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Die Diagonale der Meßbrücke wird durch den Gewichtspendelschleifer
des Potentiometers 7 gebildet, von welchem der Strom über den geschlossenen Kontakt
des Relais 19 und die Drosselspule 16 durch die Kabelader M und die Drosselspule
30 zum Galvanometer 37 geht und von hier über den Begrenzungswiderstand 52 und Hauptschalterkontakt
zum Schleifer des geeichten Potentiometers 40 läuft. Beim Umstellen des Schalters
33 in die Stellung »Z« wird allgemein die Verstimmung der Brücke angezeigt, durch
Einstellen des Potentiometers 40 läßt sich jedoch das Gleichgewicht der Brücke herstellen,
was sich durch den Nullausschlag des Galvanometers 37 äußert. An der zum Potentiometer40
gehörigen Skala läßt sich dabei unmittelbar der Neigungswinkel der Sonden-, d. h.
Bohrlochachse ablesen.
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- Der Regelwiderstand 52 dient zur Begrenzung der unter Umständen
großen Ausschläge des Nullgalvanometers 37, mit dem Regelwiderstand 53 wird am Anfang
des Messens der nötige Strom zur Speisung der Brücke eingestellt, was durch den
Strommesser38 kontrolliert werden kann.
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Durch Umstellen des Hauptschalters 33 in die Stellung »A« wird die
Stromquelle 39 an die Kabelader A, B mit umgekehrter Polarität angeschlossen, hierdurch
wird das polarisierte Relais 18 in entgegengesetzter Richtung als beim vorhergehenden
Messen erregt, und sein Anker wird nach rechts gekippt, wodurch die Relais 20 und
21 angeschlossen werden. Der Speisestrom der Brücke wird jedoch durch den Widerstand
54 so eingeschränkt, daß das Relais 21 seinen Anker nicht anzieht und daher an die
Kabelader M der Schleifer des Azimutpotentiometers 8 angeschlossen wird. Der Schleifer
des Potentiometers 8 ist mechanisch mit dem äußeren Rahmen des Kreisels fest verbunden
und bestimmt so den Azimutwinkel der Orientierung der geneigten Sonde gegenüber
der Kreiselachse, die während des ganzen Meßvorganges ihre ständige Lage einhält.
Die Diagonale der Meßbrücke
fängt jetzt am Schleifer des Azimutpotentiometers
8 an und führt über Kontakte der Relais 21 und 20, Drosselspule 16, Kabelader M,
Drosselspule 30 zum Nullgalvanometer 37 und von hier über den Widerstand 52 und
Hauptschalterkontakt zum Schleifer des geeichten Potentiometers 41, welcher jetzt
mit den Hilfsspannungsteilern45, 46 und dem Widerstand 50 das zweite Ästepaar der
Brücke bildet. Das Gleichgewicht der Meßbrücke wird jetzt durch Einstellen des Potentiometers
41 erzielt und an der zugehörigen Skala die Richtung der Bohrlochachsenprojektion
zur horizontalen Ebene abgelesen.
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Durch weiteres Umstellen des Hauptschalters 33 in die Lage »R« wird
der Widerstand54 ausgeschaltet, so daß sich der Strom durch das Relais 21 vergrößert
und der Anker des Relais 21 angezogen wird, wodurch die Kabelader M von dem Schleifer
des Potentiometers 8 zum Schleifer des Potentiometers 9 umgeschaltet wird.
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Da der Schleifer des Potentiometers 9 mechanisch mit dem Sondenkörper
verbunden ist, bestimmt seine Lage die relative Stellung des Sondenkörpers und hierdurch
auch der Elektronenl, 2, 3 gegenüber der Grundlage der Kreiselachse. Analog dem
Früheren geht jetzt die Diagonale der Meßbrücke zum Schleifer des dritten geeichten
Potentiometers 42, welcher mit den Hilfsspannungsteilern 47, 48 und dem Widerstand
51 das zweite Ästepaar der Brücke bildet. Nach dem Einstellen des Potentiometers
42 wird an der zugehörigen Skala der gesuchte Winkel R abgelesen.
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Nach Beendigung der drei beschriebenen Meßschritte wird der Hauptschalter
33 zurück in die Stellung »K« umgestellt, wodurch die Verbindung der drei Elektroden
1, 2, 3 mit den Registriergalvanometern 34, 35, 36 wiederhergestellt wird. Dann
wird weiter mit der neuerlichen Registrierung der drei Bohrlochmeßdiagramme bis
zu jener Stelle fortgefahren, an der die Bewegung der Sonde 6 wieder eingestellt
wird, und die weitere Messung der Lage usw. vorgenommen. Auf diese Weise wird das
ganze Bohrloch oder nur jener Teil desselben, der für die geologische Erkundung
von Bedeutung ist, gemessen.
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Sobald die Sonde aus der Bohrlochmündung herausgezogen wird, wird
sie mit ihrem Unterteil in bestimmter Richtung, z. B. nach Norden geneigt. Der in
dieser Lage ermittelte Wert der Azimutskala dient als Ausgangspunkt weiterer Berechnungen.
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Die beiden Potentiometer 8 und 9 können ohne weiteres durch einen
einzigen Widerstandskörper mit zwei Schleifern ersetzt werden.
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Die zwei erwähnten Winkelgrößen A und R, d. h.
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Azimut der Sonde und Relativlage einer der Elektroden 1, 2, 3, werden,
wie schon gesagt, in einer zur Bohrlochachse senkrechten Ebene gemessen, also nicht
in der horizontalen Ebene. Diese konstruktive Vereinfachung bringt mit sich einerseits
eine bedeutende Verbilligung in der Herstellung der Sonde, andererseits aber eine
Komplizierung der weiteren graphischen oder numerischen Auswertungen. Es läßt sich
beweisen, daß z. B. der wirkliche Azimutwinkel a mit dem gemessenen Winkel A durch
eine einfache Gleichung tga = tgA cosZ verbunden sind, wo Z = Abweichung der Sondenachse
von der Lotrechten ist, so daß die Nachrechnung der Azimutkorrektion verhältnismäßig
einfach ist. Bei einer kleinen AbweichungZ, bis Z = etwa 180, kann man den Einfluß
des Faktors cos Z vernachlässigen und a = A setzen, so daß die Nachrechnung überhaupt
wegfällt.
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Ganz analog wird auch bei Nachrechnung einer Korrektion des Elektrodenlagenwinkels
R verfahren.
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Die Widerstände 23 und 24 dienen zur Symmetrierung der Widerstandsbelastung
der Elektroden, an denen
zwischen den Leitern A und B bzw. den Elektroden 1 und 3
eine dauernde Parallelverbindung durch die Widerstände der Potentiometer 7, 8, 9
und der Relais 18, 19 oder 20 und 22 besteht. Die Eilfspotentiometer43 bis 48 und
Widerstände 49 bis 51 haben den Zweck, die Einstellung der Skalenenden der Potentiometer
40 bis 42 bei der ersten Justierung bzw. einem Austausch des Kabels 25 zu ermöglichen.
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Das Gerät gemäß der Erfindung gibt also als Ergebnis: 1. Die drei
praktisch identischen, jedoch im allgemeinen in der Teufe verschobenen Bohrlochmeßdiagramme,
aus welchen man eine oder mehrere elektrische Eigenschaften der zu durchfahrenden
Gesteine ersehen und daraus auf die geologischen Formationen längs des Bohrlochs
urteilen kann.
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2. DieWinkelkoordinatenZ (Zenitwinkel) undA (Azimut) der einzelnen
Punkte der Bohrlochachse, aus welchen man unter Heranziehung der Teufe der einzelnen
Meßpunkte den räumlichen Verlauf des ganzen Bohrlochs konstruieren kann.
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3. Die Differenzen in Tiefenkoordinaten H1 und H2 der drei genannten
Bohrlochmeßdiagramme und die Winkelkoordinate R, aus welchen man die Richtung und
Neigung der durchteuften Schichten rechnerisch oder graphisch feststellen kann.
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PATENTANSPR8CHE: 1. Gerät zur Bestimmung der Richtung und Neigung
von ein Bohrloch umgebenden geologischen Schichten aus sowohl magnetischen als auch
nichtmagnetischen Gesteinsarten, bei dem die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit
oder anderer elektrischer Eigenschaften der Schichten von der Bohrlochtiefe unter
Verwendung von drei in einer Bohrlochsonde untergebrachten Elektroden gemessen wird,
die gleichmäßig auf einem Kreis verteilt sind und sich in einer Ebene befinden,
auf der die Achse des die Elektroden führenden, in das Bohrloch eingeführten Sonde
senkrecht steht, und bei dem die elektrischen, in der Bohrlochsonde entstehenden
Größen über das Senkkabel der Sonde auf eine über Tage befindliche Ableseeinrichtung
übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrlochsonde (6), außer den
drei Elektroden (1, 2, 3) mit aus der Sonde herausragenden Fühlern, ein Kreisel
(10), dessen Achse als Bezugsrichtung zur Bestimmung der Lage der lotrechten Achsenprojektion
auf die Horizontalebene und der Lage der Elektroden (1, 2, 3) zu den Himmelsrichtungen
in der Horizontalen dient, ferner zwei mit dem Kreiselrahmen verbundene Meßpotentiometer
(8, 9) sowie zur Bestimmung der Abweichung der Achse der Sonde von der Lotrechten
ein Gewichtspendel mit elektrischemPotentiometer (7), dessen Läuferstellung durch
den Unterschied der Stellung der Kreiselachse und der Richtung einer der Elektroden
(1, 2, 3) gegeben ist, eingebaut sind.