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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise weist sie einen länglichen, mit einer elektrischen Isolation
bezogenen Träger 17 auf, der an seinem oberen Ende an dem Kabel 16 befestigt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Widerstände R7, R5 und R6 haben hier vorzugsweise Werte von etwa
4700 bzw. 510000 bzw.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.