DE1146599B - Einrichtung zur Erforschung der ein Erdbohrloch umgebenden Erdformationen - Google Patents

Einrichtung zur Erforschung der ein Erdbohrloch umgebenden Erdformationen

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DE1146599B
DE1146599B DED30276A DED0030276A DE1146599B DE 1146599 B DE1146599 B DE 1146599B DE D30276 A DED30276 A DE D30276A DE D0030276 A DED0030276 A DE D0030276A DE 1146599 B DE1146599 B DE 1146599B
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Description

  • Einrichtung zur Erforschung der ein Erdbohrloch umgebenden Erdformationen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erforschung der ein Erdbohrloch umgebenden Erdformationen unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Erdformationen in Abhängigkeit von der Tiefe, aufweisend zumindest eine über einen isolierten elektrischen Leiter gespeiste, in das Bohrloch absenkbare Elektrode zum Beschicken der umgebenden Erdformationen mit elektrischem Strom, eine von der Beschickungselektrode entfernte Erdverbindung, eine zwischen die Erdverbindung und die Beschickungselektrode eingeschaltete Wechselstromenergiequelle und Einrichtungen zum Messen und Anzeigen des von der Beschickungselektrode in die umgebenden Erdformationen fließenden Stromes.
  • Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art wird der von der Beschickungselektrode in die Erdformation fließende Strom, dessen Größe ein Maß für die Leitfähigkeit der Erdformation ist, an der Erdoberfläche gemessen. Infolgedessen gehen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Leiters, der die Beschickungselektrode mit der Einrichtung an der Erdoberfläche verbindet, in das Meßergebnis ein und verfälschen dieses. Außerdem kann das Meßergebnis durch induktive und kapazitive Kopplungen entlang des elektrischen Leiters verfälscht werden.
  • Demgemäß besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher die das Meßergebnis verfälschenden Einflüsse ausgeschaltet sind. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine Bauart vor, die gekennzeichnet ist durch eine in das Bohrloch absenkbare, nahe der Elektrode angeordnete elektrische Schaltung zum Erzeugen eines einsinnig gerichteten elektrischen Signals, welches dem von der Elektrode in die umgebende Erdformation fließenden Wechselstrom proportional ist, und durch eine außerhalb des Bohrloches angeordnete Anzeigeeinrichtung, welcher das einsinnig gerichtete elektrische Signal über den gleichen isolierten elektrischen Leiter zugeführt wird, der auch die Elektrode mit Wechselstrom speist, wobei die elektrische Schaltung ausgangsseitig und die Anzeigeeinrichtung eingangsseitig mit Filtereinrichtungen ausgestattet sind, die das einsinnig gerichtete Signal durchlassen, den Wechselstrom hingegen sperren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Größe des von der Beschickungselektrode in die umgebende Erdformation fließenden elektrischen Stromes direkt an der Beschickungselektrode gemessen und das Meßergebnis in Form eines einsinnig gerichteten elektrischen Signals zur Erdoberfläche übertragen. Dadurch erhält man an der Erdoberfläche eine wesentlich genauere Anzeige als bei den bekannten Einrichtungen. Für die Übertragung des einsinnig gerichteten Signals von der Meßstelle im Bohrloch zur Erdoberfläche wird derselbe elektrische Leiter benutzt, der der Stromzufuhr an die Beschickungselektrode dient. Dies hat den Vorteil, daß für die erfindungsgemäße Einrichtung kein zusätzlicher Leiter erforderlich ist.
  • Die Erfindung kann bei Einrichtungen, die nur die Beschickungselektrode aufweisen, aber auch bei Einrichtungen, die zusätzlich dazu feldformende Hilfselektroden besitzen, angewendet werden. Solche feldformenden Hilfselektroden haben bekanntlich den Zweck, das von der Beschickungselektrode in der Erdformation erzeugte elektrische Feld derart zu fokussieren, daß der von der Beschickungselektrode in die umgebende Erdformation fließende Strom vom Bohrloch weg zunächst ein beträchtliches Stück radial gerichtet ist.
  • Zweckmäßigerweise wird die Eingangsimpedanz der Anzeigeeinrichtung für das einsinnig gerichtete elektrische Signal gegenüber Widerstands änderungen des isolierten elektrischen Leiters, welche durch Änderungen der Betriebsbedingungen, beispielsweise Änderungen der Temperatur im Bohrloch, hervorgerufen werden, groß gemacht.
  • Damit das einsinnig gerichtete elektrische Signal von dem Beschickungsstrom leicht getrennt werden kann und dabei auch nicht verzerrt wird, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Frequenz der Wechselstromquelle gegenüber der zu erwartenden Frequenz von Änderungen der Größe des einsinnig gerichteten elektrischen Signals groß gewählt.
  • Die Erfindung sieht zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit auch eine Steuerung des Potentials der Beschickungselektrode vor, die dieses auf einem im wesentlichen gleichbleibenden Wert hält. Zu diesem Zweck ist die-erfindungsgemäße Einrichtung mit einer Steuereinrichtung zum automatischen Verändern des Ausgangs stromes der Wechselstromquelle ausgestattet, die über einen von dem ersten elektrischen Leiter isolierten elektrischen Leiter mit der bzw. - bei Verwendung mehrerer Elektroden - mit den Elektroden verbunden ist und den Ausgangsstrom der Wechselstromquelle in an sich bekannter Weise so steuert, daß das Elektrodenpotential unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen stets den gleichen Wert hat.
  • Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Kabel verwendet, das einen elektrisch leitenden Außenmantel besitzt, der die Erdverbindung herstellt, wobei der elektrisch leitende Außenmantel des Kabels von den Elektroden weg über ein solches Stück mit einem Isoliermaterial überzogen ist, daß die Erdverbindung erst an einem von den Elektroden entfernten Ort hergestellt wird.
  • Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein übliches Erdbohrloch und eine Seitenansicht der allgemeinen Elektrodenanordnung des Apparates. Dazu kommen noch Schaltbilder des zum Teil auf der Erdoberfläche und zum Teil innerhalb des Bohrloches angeordneten elektrischen Apparates.
  • Gemäß der Zeichnung wird bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Dreileiterkabel verwendet, das einen elektrisch leitenden Bewehrungsmantel hat, der während des Betriebs mit der Bohrflüssigkeit im Bohrloch elektrisch in Verbindung steht und daher in passender Weise als entfernte Erdverbindung benutzt werden kann, Es sei bemerkt, daß man unter bestimmten Bedingungen auch mit einem einzigen isolierten Leiter auskommen kann und die entfernte Erdverbindung mittels einer gewöhnlichen Erdungsstange an der Erdoberfläche hergestellt werden kann. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Erdbohrloch, das eine oder mehrere Schichten oder Erdformationen 11, 12, 13 und 14 durchdringt. Das Bohrloch 10 ist zum großen Teil oder vollständig mit einer flüssigen Materie 15, gewöhnlich BohrfLüssigkeit, gefüllt, in die die von einem Leiterkabel 16 herabhängende Einrichtung für eine Durchquerung des Bohrloches abgesenkt wird. Die von dem Kabel 16 herabhängende Einrichtung kann auf verschiedene Weise aufgebaut sein.
  • Vorzugsweise weist sie einen länglichen, mit einer elektrischen Isolation bezogenen Träger 17 auf, der an seinem oberen Ende an dem Kabel 16 befestigt ist.
  • An der Außenseite des Trägers 17 ist mit beträchtlichem Abstand von seinem oberen Ende eine Elektrodenanordnung angebracht, die zwei im Abstand voneinander angeordnete, verhältnismäßig lange und vorzugsweise koaxial gelagerte feldformende Hilfselektroden 18 und 19, die aus gegen den Träger 17 isolierten metallischen Hülsen bestehen können, und eine verhältnismäßig kurze Stromelektrode 20 aufweist, die im wesentlichen koaxial zwischen den be- nachbarten Enden der langen Hilfselektroden angeordnet und sowohl gegen den Träger als auch gegen die Hilfselektroden isoliert ist. Im Inneren des Trägers 17 ist die innerhalb des gestrichelten Rechtecks 21 am unteren Ende der Zeichnung schematisch dargestellte Schaltungsanordnung untergebracht. Das Leiterkabel 16 besitzt einen metallischen Mantel 1 und drei innerhalb des Mantels angeordnete isolierte Leiter 2, 3, 4, die die Schaltungsanordnung 21 mit der an der Oberfläche befindlichen Schaltungsanordnung 22 verbinden. Wenn die Ermittlung des natUrlichen Potentials nicht durchgerührt wird, braucht das Kabel nur zwei isolierte Leiter zu enthalten. Wenn genaue Ergebnisse nicht nötig sind, sind sogar lediglich der Mantel und ein Leiter erforderlich. Wird die Erde als Rückpfad für den Strom verwendet, so braucht man nur einen einzigen isolierten Leiter. Die notwendigen Verbindungen und Apparate für solch eine Ermittlung des natürlichen Potentials sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.
  • Die Schaltungsanordnung 22 ist in der dargestellten Weise elektrisch mit den isolierten Leitern des Kabels verbunden. Die Leiter 1 a, 2 a und 3 a der an der Erdoberfläche befindlichen Schaltungsanordnung 22, die im folgenden als »Oberflächenapparat« bezeichnet wird, sind über Bürsten und Schleifringe bei 23 elektrisch mit den entsprechenden isolierten Leitern 1, 2 und 3 des Leiterkabels 16 verbunden. Die Bürsten und Schleifringe sind auf einer schematisch dargestellten Kabelaufwickeitrommel 24 montiert. An der Oberfläche befindet sich auch ein Generator 25, der durch ein Kabelrad 26 angetrieben wird, das mit dem Kabel 16 in Berührung steht. Die LeitungenA, B, C des Generators 25 sind mit entsprechenden Leitungen A', B', C' eines Motors 27 elektrisch verbunden. Der Motor 27 ist durch ein Getriebe mit einer Anzeigetrommel 28 gekuppelt und dreht diese proportional zu der Bewegung des Kabels 16. Der Motor 27 wird von einer nicht dargestellten gemeinsamen Quelle aus mit Wechselstrom versorgt. Der Oberflächenapparat 22 besitzt eine Anzeigeeinrichtung 29, die eine Feder 30 entsprechend eines ihren Klemmen zugeführten elektrischen Signals bewegt, die somit ein Diagramm 33 auf ein Registrierpapier 31 schreibt, das durch die Sammeltrommel 28 von einer Vorratstrommel 32 abgezogen wird. Dadurch wird das Registrierpapier 31 entsprechend der Tiefe der Elektroden innerhalb des Bohrloches gegenüber der Feder bewegt.
  • Der Oberflächenapparat 22 weist eine Wechselstromquelle mit einer Frequenz innerhalb eines gegebenen Frequenzbereichs auf. Die Frequenz ist vorzugsweise verhältnismäßig konstant und liegt in der Größenordnung von 400 Hz. Diese Wechselstromquelle besitzt einen Oszillator 35 mit einem Schwingkreis 34, der in einer gewöhnlichen gitterabgegriffenen Oszillatorschaltung mit dem Triodenabsehnitt einer Elektronenröhre 36 verbunden ist. Der Oszillatorausgang speist über eine Koppelkapazität 37 den Eingang einer automatischen Ausgangssteuerschaltung 38, die den Pentodenabschnitt der Elektrodenröhre 36 enthält. Der Ausgang der Steuerschaltung 38 ist über die Kapazität 39 mit einem Potentiometer 40 verbunden, an dessen Abgriff eine Eingangsspannung für einen Leistungsverstärker 41 abgenommen wird. Der Verstärker 41 ist ein gewöhnlicher Gegentaktverstärker mit einem Eingangsübertrager 42, mit Elektronenröhren 43 und 44 und einem Ausgangsübertrager 45.
  • Der von der Sekundärwicklung des Übertragers 45 abgegebene Wechselstrom kann mittels des Potentiometers 40 von Hand auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Des weiteren kann der abgegebene Strom durch eine Steuervorspannung, die an das Gitter 46 des rechten Teiles der Elektronenröhre 36 angelegt wird, geregelt werden. Diese Steuervorspannung wird auf eine später noch näher beschriebene Weise durch Gleichrichtung eines Wechselpotentials erzeugt, das der Gleichrichterschaltung 48 über die Leitung 3 3a zugeführt wird. Der Übertrager 45 liefert die gesamte für den Bohrlochapparat benötigte Energie einschließlich des Stromes, der von der Stromelektrode und den Hilfselektroden in die das Bohrloch umgebenden Erdformationen fließt. Eine der Klemmen der Sekundärwicklung des Übertragers 45 ist mit der Leitung 1 ci verbunden, die mit dem Kabelmantel 1 in Verbindung steht. Die andere Klemme der Sekundärwicklung ist mit dem Leiter 2 des Kabels über einen Gleichstromblockkondensator 50 und die Leitung 2 2a verbunden. Die Leitung 1 la des Oberflächenapparates 22 und die Leitung lb des Bohrloch apparates 21 sind geerdet. In der dargestellten Ausführungsform sind sie mit dem Kabelmantel 1 verbunden, der so eine gemeinsame Erde sowohl für den Oberflächenapparat als auch für bestimmte Teile des Bohrlochapparates bildet. Diese Erdverbindung wird im folgenden noch näher beschrieben.
  • Der von der Sekundärwicklung des Übertragers 45 an den Kabelleiter 2 gelieferte Wechselstrom fließt von diesem über die Leitung 2 b des Bohrlochapparates zu einer darin befindlichen Zwischenklemme 86.
  • Von da fließt er durch einen zweiten Gleichstromblockkondensator 60, die in Serie geschalteten Primärwicklungen der Übertrager 61 bzw. 62 und den Leiter 63 zu einer Leitung 64 mit sehr kleiner Impedanz, die die Hilfselektroden 18 und 119 verbindet.
  • Die Leitung 2 b, der Kondensator 60, die Primärwicklungen der Transformatoren 61 und 62 und die Leitung63 bilden somit eine isolierte Verbindungseinrichtung, die das untere Ende des Kabelleiters 2 mit der Elektrodenanordnung verbindet und diese mit Wechselstrom beliefert. Der Strom fließt von den Elektroden in die umgebenden Erdformationen und kehrt über Erde, die Erdverbindung, d. h. den Mantel 1 des Kabels 16, und die Leitung 1 ci zum Transformator 45 zurück. Der die Stromelektrode 20 und die Hilfselektroden 18 und 19 enthaltende Bohrlochapparat schafft in der das Bohrloch seitlich neben der Elektrode 20 umgebenden Erde ein elektrisches Wechselfeld. Dieses hat eine solche Form, daß der von der Elektrode 20 kommende Strom entlang Strompfaden durch die benachbarte umgebende Erde fließt, die über eine beträchtliche Strecke von den Elektroden weg gegenüber der Bohrlochachse im wesentlichen radial nach außen gerichtet sind. Der Wechselstrom wird hier einfachheitshalber als in einer Richtung fließend dargestellt. In Wirklichkeit wechselt seine Flußrichtung natürlich periodisch. Eine Messung dieses Stromes liefert somit eine Anzeige des Widerstandes des Strompfades, entlang welchem der Strom durch diese Erdformationen fließt. Aus einer passenden Darstellung oder Anzeige der Anderungen des von der Stromelektrode 20 ausfließenden Stromes erhält man eine genaue Angabe der Widerstandscharakteristiken der sich über eine wesentliche Strecke seitlich von dem Bohrloch aus erstreckenden Erdschicht oder Formation. Die vorliegende Erfindung ist in der Hauptsache auf eine Einrichtung zur Schaffung einer genauen Anzeige des von der Stromelektrode ausfließenden Stromes gerichtet, die auch in Form eines Diagramms zu erhalten ist. Bei der dargestellten Ausführungsform fließt der Strom von der Elektrode 20 durch den umgebenden Ring von Bohrflüssigkeit, einen seitlich neben der Elektrode befindlichen, angenähert scheibenförmigen Teil der umgebenden Erdschicht und ein weiteres großes Erdvolumen zu der entfernten Erdverbindung, die hier der eingetauchte metallische Mantel 1 des Kabels 16 bildet. Zur Sicherung der gewünschten Feldform werden die Hilfselektroden 18 und 19 unter gleichem Potential bezüglich der entfernten Erdverbindung in der angegebenen Weise mit Strom beliefert. Ebenso wird an die Stromelektrode 20 durch die vorerwähnte Verbindungseinrichtung über eine Verbindung mit äußerst kleiner Impedanz, die hier die Primärwicklung 65 eines Transformators 67 enthält, Strom an die Elektrode 20 geliefert. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß allen drei Elektroden der Wechselstrom unter im wesentlichen gleicher wirksamer Wechselspannung zugeführt wird. Um das augenblickliche Potential an allen Elektroden im wesentlichen gleichzuhalten, sollten die Leitung 64 und die Primärwicklung 65 den zu den Elektroden fließenden Strömen einen Widerstand bieten, der so klein wie praktisch möglich ist.
  • Der sich dem Strom von der Stromelektrode bietende Widerstand wird mit wachsendem seitlichem Abstand von der Bohrlochachse schnell kleiner; außerdem ist der wirksame Widerstand der entfernt angeordneten Erdformationen zu vernachlässigen; daher ist es offensichtlich, daß eine Messung dieses Stromes eine für praktische Zwecke hinreichend genaue Anzeige des Widerstandes eines Ringes von Bohrlochflüssigkeit und des zugehörigen scheibenförmigen Teiles der Erdformation seitlich neben der Elektrode 20 liefert. Die Höhe des scheibenförmigen Teiles ist dabei gleich der Länge dieser Stromelektrode 20. Da der spezifische Widerstand der Bohrlochflüssigkeit und der Bohrlochdurchmesser verhältnismäßig konstant bleiben, treten Änderungen des Widerstandes nur durch Änderungen des Widerstandes des genannten ringförmigen Teiles der Erdformation auf.
  • Ein genaues Maß für den von der Stromelektrode 20 in die Erdformation fließenden Strom erhält man dadurch, daß man diesen Strom eine ihm proportionale Wechselspannung in der Sekundärwicklung 66 des Transformators 67 erzeugen läßt. Diese Spannung wird ohne nennenswerte Leistungsentnahme aus der Primärwicklung 65 als Signal verwendet, dessen Amplitude die Größe des von der Elektrode 20 ausfließenden Stromes anzeigt.
  • Damit der Transformator 67 eine möglichst kleine Verlustleistung aufweist, wird der Primärwicklung 65 desselben eine sehr geringe Wechselstromimpedanz gegeben, während seine Sekundärwicklung 66 eine extrem hohe Impedanz erhält. Außerdem sind Kern und Wicklungen vorzugsweise so angeordnet und bemessen, daß optimale Durchlaß eigenschaften für die Frequenz des von der Stromversorgungseinrichtung gelieferten Wechselstromes vorhanden sind. Der Übertrager 67 kann beispielsweise so konstruiert sein, daß er bei 400 Hz eine primärseitige Impedanz von etwa 1liooo Ohm und eine sekundärseitige Impedanz in der Größenordnung von 100 000 Ohm hat. Seine Kern- und Wicklungsanordnung ist derart, daß er bei 400 Hz eine scharfe Spitze in der Leistungscharakteristik aufweist. Die in der Sekundärwicklung 66 des Ubertragers 67 erzeugte Spannung ist ein Maß für den Strom durch die Primärwicklung 65. Diese Spannung wird zwecks Verstärkung einem linearen Verstärker 70 zugeführt. Der Ausgang des linearen Verstärkers 70 liefert ein Signal, welches die Größe des durch die Primärwicklung 65 fließenden Stromes genau wiedergibt. Dieses Signal wird zwecks Gleichrichtung einem linearen Gleichrichter zugeführt, der ein einsinnig gerichtetes Signal in der Form eines einsinnig gerichteten Stromes herstellt; dieser Strom ist für die im folgenden zu beschreibende Übertragung zur Erdoberfläche geeignet. Der Verstärker 70 kann eine bei 71 dargestellte Doppelröhre aufweisen, welche beispielsweise eine Pentoden-Trioden-Verstärkerröhre sein kann. Die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 66 des Übertragers 67 wird über einen Kondensator 72 an das Steuergitter 71 G des Pentodenabschnitts der Elektronenröhre 71 angelegt.
  • Die Katode des Pentodenabschnitts der Röhre ist an die gemeinsame Erdleitung lb angeschlossen. Der Ausgang von der Anode 71A ist über einen Blockkondensator 73 mit dem Steuergitter 71 TG des Triodenabschnittes der Röhre 71 verbunden. Die Katode des Triodenabschnitts der Röhre ist mit der gemeinsamen Erdleitunglb über einen Widerstand R1 verbunden, der vorzugsweise einen Wert von annähernd 1000 Ohm hat. Der Kondensator 73 hat vorzugsweise eine Kapazität von etwa 0,001 nF, und der Widerstand R2, der das Steuergitter 71 TG mit der gemeinsamen Erdleitunglb verbindet, hat einen Wert von angenähert 1 MOhm. Der Ausgang von der Anode 71 TA des Triodenabschnitts der Röhre 71 ist über die Primärwicklung 74 P des Übertragers 74 mit einem Leiter 75 verbunden, der mit der positiven Klemme einer Quelle, die eine hohe einsinnig gerichtete Spannung liefert, in Verbindung steht. Hochspannung wird auch der Anode 71A und dem Schiringitter des Pentodenabschnitts der Röhre 71 über Widerstände R5 bzw. R4 zugeführt, welche Werte von etwa 510 000 Ohm bzw. 2,2 MOhm haben können.
  • Die Sekundärwicklung 74 S des Übertragers 74 hat einen Mittelabgriff, der über einen Leiter 81 mit der gemeinsamen Erdleitung 1 b verbunden ist. Die Enden der Sekundärwicklung sind mit Festkontakten 77 und 78 einer Synchron-Gleichrichtereinrichtung 76 verbunden. Diese arbeitet vorzugsweise mechanisch, damit eine lineare Gleichrichtung sichergestellt wird. Sie weist einen schwingenden Anker 79 auf, der bezüglich des in der Sekundärwicklung 74 S induzierten Stromes mittels eines Elektromagneten 80 synchron angetrieben ist. Der letztere wird durch Wechselstrom aus der Stromversorgung erregt. Das resultierende einsinnig gerichtete Signal wird durch den Anker 79 und ein Tiefpaßfilter 85 zu der Verbindungsklemme 86 und von da durch die Leitung 2 b zur Übertragung an den Oberflächenapparat an den Kabelleiter 2 geführt. Das Filter 85 ist so bemessen, daß es Frequenzen von 0 bis etwa 10 Hz durchläßt und für alle höheren Frequenzen, insbesondere für die Frequenz des zugeführten Wechselstromes, eine hohe Dämpfung hat.
  • Von einer Hälfte der in der Mitte abgegriffenen Sekundärwicklung 74 S des Übertragers 74 besteht über einen Leiter 82 und einen Widerstand R7 zu einem Punkt 83 zwischen den Widerständen R5 und R6 eine Gegenkopplung. Die Widerstände R5 und R6 sind als Spannungsteiler zwischen das Steuergitter 71 G und die gemeinsame Erdleitung 1 b eingeschaltet.
  • Die Widerstände R7, R5 und R6 haben hier vorzugsweise Werte von etwa 4700 bzw. 510000 bzw.
  • 180 Ohm. Auf diese Weise erhält das Steuergitter 71 G des Pentodenabschnitts der Elektronenröhre 71 von der Sekundärwicklung 74S des Übertragers 74 über den Leiter 82 eine beträchtliche Gegenkopplung.
  • Der erste Abschnitt des Verstärkers, der den Pentodenabschnitt der Röhre 71 aufweist, wird als sogenannter »Mangel«-Verstärker betrieben, was dadurch erreicht wird, daß man diesen Teil der Röhre mit einer Nullvorspannung und niedrigen Anoden und Schirmgitterspannungen sowie einer etwa 10 0/obigen Heizfadenunterspannung betreibt. Dadurch erhält die Verstärkungsziffer des Pentodenabschnitts der Röhre die Neigung, größer zu werden, wenn die Spannungen der Röhrenelektroden einschließlich der Katode absinken, und umgekehrt. Der zweite Verstärkerabschnitt, der den Triodenabschnitt der Elektronenröhre 71 enthält, wird mit Katodengegenkopplung betrieben. Diese kommt durch den WiderstandRl in der Katodenleitung zustande. Sie führt zu einer Stabilisierung der Verstärkungsziffer des zweiten Verstärkerabschnitts über einen weiten Bereich von Heizfaden-und Anodenspannungen. Der Verstärker 70 hat also eine im wesentlichen konstante Verstärkungsziffer über einen weiten Bereich der Röhrenelektrodenspannungen. Das Signal, das den von der Elektrode 20 in die umgebende Formation fließenden Wechselstrom darstellt, liegt nun in der Form eines einsinnig gerichteten Stromsignals vor. Der Wert dieses Signals ändert sich mit einer Geschwindigkeit, die der Laufgeschwindigkeit der Elektrodenanordnung im Bohrloch entspricht. Die Änderungsfrequenz des Signals ist daher gewöhnlich nicht größer als 10 Hz. Das Signal kann daher über die Leitung 2 b und den Kabelleiter 2 zur Erdoberfläche übertragen werden.
  • Damit dient der Leiter zwei Zwecken, nämlich der Übertragung von Wechselstromenergie von der Stromversorgungseinrichtung an der Oberfläche zu der Elektrodenanordnung im Bohrloch und der Übertragung des einsinnig gerichteten Stromsignals vom Bohrlochapparat zum Oberflächenapparat. Der Blockkondensator 60 verhindert die Übertragung des einsinnig gerichteten Signals zu anderen Teilen als der Leitung 2 b, dem Leiter 2 des Kabels und dem Apparat an der Erdoberfläche. Der Erdrückpfad, den hier der geerdete Mantel 1 des Kabels 16 bildet, schließt mit dem Leiter 2 den Stromkreis für das einsinnig gerichtete Signal. An der Erdoberfläche wird dieses Signal von der Leitung 2 a empfangen und durch einen Blockkondensator 50 daran gehindert, durch den Ausgang der Wechselstromversorgungseinrichtung zur Erde kurzgeschlossen zu werden. Das einsinnig gerichtete Signal gelangt über den Leiter 94 zu einer Filtereinrichtung mit einem Tiefpaßfilter 95. Dieses unterdrückt Ströme und Spannungen, deren Frequenz innerhalb des Frequenzbereichs der Energieversorgung liegt, läßt aber die Anderungen des einsinnig gerichteten Signals, die in dem Frequenzbereich von 0 bis etwa 10 Hz liegen, zu dem Eingang eines linear arbeitenden Verstärkers 96 durch. Der Verstärker 96 ist im wesentlichen von üblicher Bauart.
  • Er hat für das einsinnig gerichtete Signal eine Eingangsimpedanz, welche im Vergleich zu den Widerstands- und Impedanzänderungen, die im Leiter 2 infolge von Temperaturänderungen, Druckänderungen, Beanspruchungsänderungen u. dgl. anderweitigen Bedingungen auftreten und sich aus der Verwendung des Kabels teilweise innerhalb, teilweise außerhalb des Bohrloches ergeben, vorzugsweise groß ist. Der Eingang zum Steuergitter der Röhre 97 des Verstärkers 96 erfolgt über einen einstellbaren Abgriff eines Potentiometers 93, das zwischen das Filter 95 und die Erdverbindung 1 a geschaltet ist und einen Widerstand von z. B. 10 000 Ohm aufweist. Das abgegebene verstärkte einsinnig gerichtete Signal vom Verstärker 96 gelangt über ein einstellbares Potentiometer 100 und Leitungen 98 und 99 an der Anzeigeeinrichtung 29 an, um die Schreibfeder 30 zu betätigen.
  • Dem Oberflächenapparat einschließlich des Verstärkers 96, des Oszillators 35 und des Verstärkers 41 wird über eine Anodenzuführungsleitung 110, eine Schirmgitterzuführungsleitung 111 und eine Gitterleitung 112 in der üblichen Weise von einer gewöhnlichen Gleichstromquelle her Energie zugeführt.
  • Der unter der Oberfläche befindliche Signalverstärker 70 wird durch eine Energieverteilungseinrichtung mit Energie versorgt. Diese Verteilungseinrichtung wird durch die Leitungen 1 b und 2 b beliefert.
  • Sie weist eine gewöhnliche Energieversorgungseinrichtung auf, die die Sekundärwicklungenl20 und 121 des Transformators 62, die Gleichrichterschaltung 119 mit der Gleichrichterröhre 122 und ein Glättungsfilter 123 enthält, dessen Gleichstromausgang über die Leitung 75 mit dem Schirmgitter und den Anoden der Verstärkerröhre 71 in der vorerwähnten Weise verbunden ist. Der Synchron-Gleichrichter 76 wird, wie oben ausgeführt, durch einen mit Wechselstromenergie von 400 Hz erregten Elektromagneten 80 angetrieben. Diese Wechselstromenergie wird über den Transformator 61 geliefert, dessen Primärseite mit der Leitung 2 b in Serie liegt. Die Arbeitsweise des Ankers 79 ist veränderbar, damit sie so eingestellt werden kann, daß eine lineare Gleichrichtung stattfindet. Zu diesem Zweck wird der Elektromagnet 80 von der Sekundärwicklung des Transformators 61 über eine Phasenschiebereinrichtung erregt, die eine Kapazität 130 und einen verstellbaren Widerstand 131 aufweist. Dadurch kann die Phase des Wechselstromes im Elektromagneten 80 bezüglich derjenigen, die zwischen den Gleichrichterkontaktpunkten 77 und 78 auftritt, so eingestellt werden, daß sich der Anker 79 während des kurzen Intervalls, in dem das Wechselstromsignal in der Transformatorsekundärwicklung 74 S durch den Nullwert hindurchgeht, von dem Kontakt 77 abhebt und auf den Kontakt 78 bewegt, und umgekehrt.
  • Um sicherzustellen, daß die Elektroden 18, 19 und 20 bezüglich der entfernten Erdverbindung unabhängig von änderungen des Widerstandes der Erdformation, des Widerstandes der Bohrflüssigkeit und des Widerstandes des Kabelleiters ein im wesentlichen gleichbleibendes Wechselpotential aufweisen, ist das an diesen Elektroden vorherrschende Wechselpotential über eine Leitung 3 b, den isolierten Kabelleiter 3 und die Leitung 3 a an die Gleichrichterschaltung 48 angelegt, deren Gleichstromausgang, wie bereits erwähnt, mit dem Gitter 46 des Pentodenabschnitts der Elektronenröhre 36 verbunden ist. Die an diesem Gitter anliegende gleichgerichtete Spannung vergrößert oder verkleinert die Ausgangsgröße der Stromversorgungseinrichtung 41 des Oberflächenapparates so, wie der wirksame Widerstand, der sich dem Stromfluß von den Elektroden durch die benachbarten Formationen zur entfernten Erdverbindung bietet, anwächst bzw. abnimmt. Die Gleich- richterschaltung 48 besitzt einen Gleichrichter 53, beispielsweise eine Kristalldiode, der in der gezeigten Weise angeschlossen ist. Durch automatische Änderung des an die Elektroden gelieferten Stromes wird also unabhängig von Anderungen des Widerstandes der Erdformationen und anderer Schaltungselemente ein im wesentlichen gleichbleibendes Potential der Elektroden 18, 19 und 20 bezüglich der davon entfernt angeordneten Erdverbindung aufrechterhalten.
  • Eine solche korrigierende Änderung des Stromes, der durch die den Transformator 62 enthaltende Schaltung fließt, führt zu einer entsprechenden Änderung der an den Verstärker 70 gelieferten Spannungen und Ströme. Diese Anderung bleibt jedoch wegen der besonderen Bauart des Verstärkers 70 ohne Einfluß auf dessen Verstärkungsziffer und anderweitiger Eigenschaften.
  • Der Abstand der Elektroden zur davon entfernten Erdverbindung, im beschriebenen Beispiel also zum nicht isolierten Kabelaußenmantel, sollte so groß sein, daß der Strom von den Elektroden 18, 19 und 20 weg im wesentlichen senkrecht zu der Bohrlochachse über eine passende Strecke in die umgebenden Erdformationen nach außen fließen kann. Er sollte nicht kleiner als etwa 15 m sein.
  • Unter Umständen können die Messungen auch ohne Verwendung der Hilfselektroden 18 und 19, und sogar ohne automatische Potentialregelung durchgeführt werden. Die Anlage besteht dann im wesentlichen aus der Energieversorgungseinrichtung, der Leitung 2 a, der den Leiter 2 mit der Elektrode 20 verbindenden Einrichtung dieser Elektrode, der entfernten Erdverbindung und den Einrichtungen, die das einsinnig gerichtete Stromsignal erzeugen bzw. empfangen. Diese Kombination bildet eine betriebsfähige Einrichtung, die infolge der Messung der gewünschten Charakteristik nahe bei der Elektrode äußerst genaue Resultate liefert. In jedem Falle, d. h. ganz gleich, ob mit oder ohne Hilfselektroden gearbeitet wird, führt die Verwendung eines Beschickungsstromes verhältnismäßig hoher Frequenz - hier 400 Hz - und eines einsinnig gerichteten Rücksignals zu einer Einrichtung, in der ein Signal-»Nebensprechen« und ähnliche unerwünschte Wirkungen so gut wie völlig beseitigt sind.

Claims (11)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Erforschung der ein Erdbohrloch umgebenden Erdformationen unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Erdformationen in Abhängigkeit von der Tiefe mit zumindest einer über einen isolierten elektrischen Leiter gespeisten, in das Bohrloch absenkbaren Elektrode zum Beschicken der umgebenden Erdformationen mit elektrischem Strom, einer von der Beschickungselektrode entfernten Erdverbindung, einer außerhalb des Bohrloches befindlichen, zwischen die Erdverbindung und die Beschickungselektrode eingeschalteten Wechselstromenergiequelle und Einrichtungen zum Messen und Anzeigen des von der Beschickungselektrode in die umgebenden Erdformationen fließenden Stromes, gekennzeichnet durch eine in das Bohrloch absenkbare, nahe der Elektrode (20) angeordnete elektrische Schaltung (21) zum Erzeugen eines einsinnig gerichteten elektrischen Signals, welches dem von der Elektrode (20) in die umgebende Erdformation (11, 12, 13, 14) fließenden Wechselstrom proportional ist, und durch eine außerhalb des Bohrloches angeordnete Anzeigeeinrichtung (95, 96, 29 bis 32), welcher das einsinnig gerichtete elektrische Signal über den gleichen isolierten elektrischen Leiter (2) zugeführt wird, der auch die Elektrode (20) mit Wechselstrom speist, wobei die elektrische Schaltung (21) ausgangsseitig und die Anzeigeeinrichtung (95, 96, 29 bis 32) eingangsseitig mit Filtereinrichtungen (85, 95) ausgestattet sind, die das einsinnig gerichtete Signal durchlassen, den Wechselstrom hingegen sperren.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz (93) der Anzeigeeinrichtung für das einsinnig gerichtete elektrische Signal gegenüber Widerstandsänderungen des isolierten elektrischen Leiters (2), welche durch Änderungen der Betriebsbedingungen, beispielsweise Änderungen der Temperatur im Bohrloch, hervorgerufen werden, groß ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung einen Verstärker (96) aufweist, dem ein Tiefpaßfilter (95) vorgeschaltet ist, welches für Frequenzen von 0 bis etwa 10 Hz eine verhältnismäßig kleine Dämpfung besitzt, während seine Dämpfung für Frequenzen über etwa 10 Hz verhältnismäßig groß ist, wobei die Ausgangsgröße des Verstärkers (96) dem einsinnig gerichteten elektrischen Signal im wesentlichen proportional ist.
  4. 4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) von dem isolierten elektrischen Leiter über die Primärwicklung(65) eines Übertragers (67) gespeist wird und daß die Schaltung (21) zum Erzeugen eines dem Speisestrom der Elektrode proportionalen einsinnig gerichteten elektrischen Signals ausgestattet ist mit der Sekundärwicklung (66) dieses Übertragers, einem linear verstärkenden Verstärker (70), dessen Eingang an die Sekundärwicklung (66) des Übertragers angeschlossen ist, und einem mit der Frequenz des Wechselstromes synchron arbeitenden mechanischen Gleichrichter (76), der von dem Ausgang des Verstärkers gespeist wird und die Ausgangsgröße des Verstärkers gleichrichtet, wobei die dem Gleichrichter nachgeschaltete Filtereinrichtung (85) zwischen den mit dem elektrischen Leiter verbundenen Signalausgang der Schaltung und den Gleichrichter eingeschaltet ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gegekennzeichnet, daß die Primärwicklung (65) des Übertragers (67) eine sehr kleine, die Sekundärwicklung (66) hingegen eine sehr große Impedanz aufweist.
  6. 6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fre- quenz der Wechselstromquelle (35, 41) gegenüber der zu erwartenden Frequenz von Änderungen der Größe des einsinnig gerichteten elektrischen Signals groß ist.
  7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung mit mehreren Elektroden (18, 19, 20), die von dem elektrisch isolierten Leiter parallel gespeist werden und von denen die eine (20) die Beschickungselektrode darstellt, während die anderen (18, 19) feldformende Hilfselektroden bilden, wobei durch die Primärwicklung des Übertragers nur der zur Beschickungselektrode (20) fließende Strom hindurchgeht.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung in an sich bekannter Weise aus drei voneinander getrennten, koaxial übereinander angeordneten Elektroden besteht, welche auf einem Träger aus Isoliermaterial angeordnet sind, wobei die beiden äußeren Elektroden (18, 19) lang sind, während die Mittelelektrode (20), welche die Beschickungselektrode darstellt, verhältnismäßig kurz ist.
  9. 9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (48) zum automatischen Verändern des Ausgangsstromes der Wechselstromquelle (35,41), die über einen von dem ersten elektrischen Leiter (2) isolierten elektrischen Leiter-(3) mit der Elektrode (20) bzw. den Elektroden (18, 19, 20) verbunden ist und den Ausgangsstrom der Wechselstromquelle (35, 41) in an sich bekannter Weise so steuert, daß das Elektrodenpotential unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen stets den gleichen Wert hat.
  10. 10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierten Leiter (2, 3) in einem Kabel (16) angeordnet sind, an dessen unterem Ende die Elektrode (20) bzw. die Elektroden(18, 19, 20) und die Schaltung (21) zur Erzeugung des einsinnig gerichteten elektrischen Signals aufgehängt sind.
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Kabel (16) einen elektrisch leitenden Außenmantel (1) besitzt, der die Erdverbindung herstellt, wobei der elektrisch leitende Außenmantel des Kabels von den Elektroden weg über ein solches Stück mit einem Isoliermaterial (17) überzogen ist, daß die Erdverbindung erst an einem von den Elektroden entfernten Ort hergestellt wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 813 249, 2 712 632, 2712626,2317259.
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Citations (4)

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