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Kupplung für die Wandler eines Bohrlochuntersuchungsgeräts zum Untersuchen
von Erdformationen Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Durchführung von
seismischen oder akustischen Untersuchungen von Erdformationen und betrifft insbesondere
eine Kupplung, die bei einem akustischen Bohrlochuntersuchungsgerät die akustischen
Wandler in bestimmtem gegenseitigen Abstand hält, bei welcher eine unerwünschte
Übertragung akustischer oder elektrischer Impulse durch die Kupplung vom Sender
zum Empfänger speziell bei ringförmigen, torusförmig gewickelten magnetostriktiven
Wandlern verhindert wird.
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Ein Bohrlochuntersuchungsgerät der genannten Art besitzt wenigstens
einen Wandler als Sender der Druckwellenimpulse und einen oder mehrere Wandler als
Empfänger der von den umgebenden Erdformationen reflektierten Impulse. Zur Erzielung
einwandfreier Meßergebnisse muß der gegenseitige Abstand der Wandler während der
Messungen bei allen Betriebsbedingungen gleichbleiben. Aus dem gleichen Grund ist
es erwünscht, daß die Sendeimpulse, welche auf direktem Wege über die Kupplungsglieder
vom Sender zum Empfänger gelangen, unterdrückt oder so weit gedämpft werden, daß
sie die Messungen nicht fälschen oder zu sehr behindern. Diesen und anderen akustischen
Störimpulsen können sich elektrische Störimpulse überlagern, die verschiedene Ursachen
haben können, unter anderen z. B. die Verlegungsweise elektrischer Leitungen oder
das Auftreten elektrischer Potentiale in der Umgebung der Meßsonde.
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Die Kupplungsglieder von akustischen Bohrlochuntersuchungsgeräten
müssen daher in solcher Weise ausgeführt sein, daß ein vorbestimmter Abstand der
Wandler voneinander eingehalten wird, akustische Impulse, welche durch die mechanische
Kupplung direkt vom Sender zum Empfänger übertragen werden können, vernichtet oder
gedämpft bzw. ausgefiltert werden und elektrische Störimpulse unwirksam bleiben.
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Bei einer bekannten Ausführung weist die Kupplung eine starre Verbindung
auf, welche mehrere Metallkörper bestimmter Masse, vorzugsweise aus Blei oder anderem
Material hoher Dichte, in festgelegten Abständen verwendet. Die Verbindung wirkt
als akustisches Wellenfilter, welches Filter sicherstellt, daß die vom Empfänger
erhaltenen Impulse allein auf die durch die Erdformationen fortgeleiteten Schallwellen
zurückzuführen sind.
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Eine andere bekannte Ausführung eines Bohrlochuntersuchungsgerätes
verwendet für die Kupplung ebenfalls eine Anzahl von Körpern schwerer Massen als
akustische Dämpfungsglieder, die an einem biegsamen langgestreckten Gegenstand,
vorzugsweise einem Drahtkabel, zwischen den Wandlern angebracht sind.
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Des weiteren ist ein Gerät zur Bodenuntersuchung bekannt, bei welchem
Sender- und Empfängerkammer durch ein Kupplungsstück in bestimmtem Abstand voneinander
mechanisch verbunden sind, das akustisch nicht auf die beiden Kammern abgestimmt
ist, und eine direkte Übertragung ganz bestimmter ausgesendeter Schallwellen zuläßt,
die sich mit den durch die Erdschichten hindurchgegangenen Schallwellen in der Empfängerkammer
mischen. Hierdurch wird eine elektrische Anzeige erhalten, die aus einem akustischen
Effekt entstanden ist, der sowohl von den akustischen Eigenschaften der Erdschichten
als auch von den akustischen Eigenschaften des Meßsystems abhängt. Als geeignetes
Material für diese Kupplung wird Blei empfohlen, jedoch sollen auch bestimmte elektrisch
nicht leitende Stoffe geeignete akustische Eigenschaften aufweisen. Bei Verwendung
dieser elektrisch isolierenden Stoffe ist jedoch infolge ihrer geringen Bruch-
Sicherheit
insbesondere bei Zugbelastungen große Vorsicht geboten, so daß in vielen Fällen
von ihrer Verwendung abgesehen wird.
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Es hat sich jedoch in der Praxis vielfach erwiesen, daß zur Erzielung
eindeutiger Meßergebnisse neben der akustischen auch eine elektrische Entkopplung
der Wandler notwendig ist. Diese wird dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung
mindestens ein an sich bekanntes elektrisches Entkopplungsteil mit den die mechanischen
Beanspruchungen aufnehmenden Kupplungsmitteln in solcher Weise in Reihe geschaltet
ist, daß dieses elektrische Entkopplungsteil im wesentlichen auf Druck beansprucht
ist.
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Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft an einem Untersuchungsgerät
anwenden, das ein biegsames Kupplungsglied besitzt, welches mindestens zwei ringförmige,
torusförmig gewickelte, magnetostriktive Wandler von etwa gleichem äußeren Durchmesser
wie das übrige biegsame Glied trägt, die in einem bestimmten Abstand übereinander
angeordnet sind, wobei dieser Abstand dadurch eingehalten wird, daß innerhalb des
biegsamen Gliedes ein die mechanischen Beanspruchungen aufnehmendes Kupplungsglied
angebracht ist, das mit mindestens einer elektrischen Entkopplungseinrichtung in
Reihe geschaltet ist, welche so ausgebildet ist, daß das Fließen fluktuierender
Ströme in dem Kupplungsglied, die normalerweise die gleichen Frequenzen aufweisen
wie die bei den Untersuchungsarbeiten benutzten Impulse, verhindert wird. Ferner
wurde festgestellt, daß das Verhältnis des erwünschten Signals zu dem unerwünschten
Geräusch in den Wandlersignalen in erheblichem Maße durch das Vorhandensein von
elektrisch leitenden Materialien beeinflußt wird, durch welche leitende Bahnen gebildet
werden, die sich durch das Innere der torusförmig gewickelten Wandler erstrecken,
und daß die Ausbildung solcher elektrisch leitender Bahnen innerhalb der die mechanischen
Beanspruchungen aufnehmenden Kupplungsglieder dadurch vermieden werden kann, daß
man die elektrisch leitenden Abschnitte der Kupplungsstränge mit Hilfe elektrischer
Entkopplungsmittel unterbricht, sowie dadurch, daß man sämtliche zu und von den
Wandlern verlaufenden elektrischen Leiter so anordnet, daß sie an der Außenseite
der Wandler keine geschlossene und elektrisch abgeglichene Schleife bilden.
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Wenn auf diese Weise die Bildung solcher elektrisch leitender Bahnen
vermieden wird, ist die Wellenform der Wandlersignale von unerwünschten Störungen
weitgehend frei und sind die vom Empfänger abgenommenen Signale im wesentlichen
mit der Wellenform der Sendeimpulse identisch. Wenn man dagegen die Wandler in einem
Bohrlochuntersuchungsgerät so miteinander verbindet, daß sich die elektrisch leitenden
Bahnen, z. B. entweder die in der üblichen Weise ausgebildeten elektrischen übertragungsleitungen
oder die nicht isolierten Abschnitte der metallischen Kupplungsglieder, oder beide,
durch das Innere eines oder mehrerer Wandler erstrecken, werden die Ausgangssignale
der Empfänger durch Störimpulse so beeinflußt, daß sie sich erheblich von der Wellenform
der Sendersignale unterscheiden und nicht auswertbar sind. Die unerwünschten Wirkungen
von sich durch das Innere der Wandler erstreckenden elektrischen Leitungen lassen
sich zwar vermeiden. wenn diese bezüglich ihrer Potentiale gegenüber der Erde abgeglichen
und an nicht mehr als einem Punkte geerdet sind. Es ist jedoch im allgemeinen vorzuziehen,
alle nicht mit einem Wandler zu verbindenden Leitungen an dessen Außenseite vorbeizuführen.
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Ferner hat es sich in der Praxis gezeigt, daß man eine weitere und
ziemlich erhebliche Verringerung des Verhältnisses von Geräusch- bzw. Störenergie
zur erwünschten Signalenergie erzielen kann, wenn man das die mechanischen Beanspruchungen
aufnehmende Kupplungsglied so anordnet oder ausbildet, daß alle verbindenden Abschnitte
zwischen den Wandlern auf ihrer ganzen Länge eine begrenzte Elastizität besitzen.
Diese wird erzielt, wenn man die Wandler auf Körpern aus einem elastischen Material
anordnet, welches das die mechanische Belastung aufnehmende Kupplungsglied umgibt
und mit diesem fest verbunden ist. Eine noch wirksamere Nachgiebigkeit erhält man,
wenn man noch zusätzlich das Kupplungsglied aus miteinander verbundenen, verhältnismäßig
kurzen Abschnitten aus einem starren Material, z. B. aus Kettengliedern, zusammenbaut
und diese Kettenglieder durch ein elastisches oder nachgiebiges Material voneinander
trennt, welches als Puffer und elektrischer Entkoppler wirkt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines Bohrlochgeräts für
Untersuchungen von Erdformationen mit -der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kupplung;
F i g. 2 ist eine teilweise als Schnitt gezeichnete Ansicht eines Ausführungsbeispiels
für eine erfindungsgemäße Kupplung; F i g. 3 zeigt in einer teilweise als Schnitt
gezeichneten Ansicht einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels; F i g. 4 zeigt
einen Längsschnitt durch einen Teil einer weiteren Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen
Kupplungsgliedes für die Aufnahme mechanischer Beanspruchungen.
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F i g. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines seismischen
oder akustischen Bohrlochuntersuchungsgeräts, bei dem die seismischen Wellen mit
Hilfe von Toruswandlern ausgesendet und empfangen werden, die durch ein gemäß der
Erfindung ausgebildetes Kupplungsglied mechanisch und elektrisch zu einem einzigen
Gerätkörper vereinigt sind. Das Gerät umfaßt ein insgesamt mit 14
bezeichnetes
langgestrecktes rohrförmiges Gehäuse. das man am Ende eines Kabels 15 befestigen
und in ein Bohrloch absenken kann. Dieses Gehäuse 14
besteht aus einer Anzahl
von rohrförmigen Gliedern oder Bauteilen, die vorzugsweise durch Verschraubungen
mit abdichtender Wirkung miteinander verbunden sind. Die Bauteile des Gehäuses können
ein oberes Kopfstück 17 umfassen, das eine mechanische und elektrische Verbindung
zwischen dem eigentlichen Gehäuse 14 und dem Kabel 15 bildet, sowie
ein oberes Instrumentengehäuse 18, einen insgesamt mit 19 bezeichneten
Mittelabschnitt, ein unteres Instrumentengehäuse 20 und einen unteren Verschlußkopf
21. Die beiden Instrumentengehäuse am oberen und unteren Ende dienen zur
Aufnahme von elektrischen und elektronischen Hilfseinrichtungen, die für den Betrieb
der Sender und Empfänger benötigt werden, z. B. Batterien, Zeitsteuer- und Relaisschalter,
Verstärker usw.; diese Hilfseinrichtungen
sind mit den Abschnitten
25 und 26 schematisch angedeutet.
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Der mittlere Abschnitt 19 ist mit dem oberen Instrumentengehäuse
18 und dem unteren Instrumentengehäuse 20 jeweils durch einen Ring 28 bzw.
29 verbunden. Dieser mittlere Abschnitt enthält den zum Erzeugen von Impulsen dienenden
Wandler 30 und den die Impulse empfangenden bzw. nachweisenden Wandler 31, die beide
in der nachstehend näher erläuterten Weise auf einem Verbindungsstück 32 angeordnet
sind, das vorzugsweise aus einem flexiblen Material besteht. Wenn der Außendurchmesser
der Wandler im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der übrigen Abschnitte des
Bohrlochuntersuchungsgeräts ist, wie es in F i g. 1 der Fall ist, sind ringförmige
Puffer 33 vorzugsweise oberhalb und unterhalb jedes Wandlers vorgesehen, um zu verhindern,
daß diese mit der Wandung des Bohrlochs in Berührung kommen.
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Um die Beschreibung zu vereinfachen, ist bei dem in F i g. 1 gezeigten
Untersuchungsgerät jeweils nur ein Sender und ein Empfänger vorgesehen. Bei einer
bevorzugten Ausbildungsform würden jedoch Paare von Empfängern in bestimmten und
unveränderlichen Abständen voneinander sowie von den Sendern angeordnet sein.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich, umgibt das Verbindungsstück
32, das, wie bereits erwähnt, aus einem flexiblen Material, z. B. natürlichem
oder synthetischem Gummi besteht, ein die mechanischen Beanspruchungen aufnehmendes
Glied in Form einer Kette 36, deren oberes und unteres Ende fest mit dem Ring 28
bzw. dem Ring 29 verbunden ist. Der Ring 28 ist mit dem Gewinde 37 in das Gehäuse
18 eingeschraubt. Die Kette 36 besteht normalerweise aus Metall oder einem ähnlichen
starren Material, aus dem sich ein zur Aufnahme mechanischer Kräfte geeigneter Strang
herstellen läßt, der im Vergleich zum Außendurchmesser des Bohrlochuntersuchungsgeräts
einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser besitzt. Die Kette 36 (F i g. 2) hält
somit die beiden Ringe 28 und 29 in einem vorbestimmten Abstand voneinander.
Da das Verbindungsstück 32, in das die Kette 36 eingebettet ist, in einem verjüngten
zylindrischen Abschnitt seines Außenumfangs die Wandler 30 und
31 trägt, liegt deren Abstand voneinander sowie von den Enden des Bohrlochuntersuchungsgeräts
fest. Ähnlich wie in F i g. 1 sind oberhalb und unterhalb jedes Wandlers 30 und
31 ringförmige Puffer 33 vorgesehen. Dadurch, daß das zylindrische Verbindungsstück
32 aus flexiblem Material und die Kette 36 vorgesehen sind, erhält das Gerät eine
ausreichende Biegsamkeit, um mit ihm Bewegungen entlang gebogener Abschnitte des
Bohrlochs zu ermöglichen.
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Die elektrischen Verbindungen zwischen den Wandlern 30 und
31 sowie den elektrischen oder elektronischen Einrichtungen 25 und 26 in
den Instrumentengehäusen 18 und 20, sind durch ein Kabel
39 hergestellt, das in einer schraubenlinienförmig angeordneten Nut
40 in der Außenfläche der elastischen Verbindungsstücke 32 verlegt
ist. Die Leitungen 41 und 42 des Verbindungskabels 39
(F i g.
3) sind mit den Zuleitungen der Wicklung des Wandlers 30 bzw. 31 verbunden und anschließend
weiter um den Wandler, wie in F i g. 2 bei 43 angedeutet, herumgeführt. Um
sie vor einer Berührung mit der Wandung des Bohrlochs zu schützen, ist eine Schutzhülle
45 (F i g. 2) vorgesehen, die vorzugsweise aus natürlichem Gummi oder einem synthetischen
Elastomer oder aus mehreren Schichten. eines Isolierbands oder aus einem Gewebe
besteht, das mit einem natürlichen oder synthetischen Elastomer imprägniert ist.
Die Schutzhülle 45 ist so auf die zylindrische Außenfläche des Verbindungsstücks
32 aufgebracht, daß sie die in den Nuten 40
angeordneten Verbindungsleitungen
39 verdeckt, Eine derartige Schutzhülle kann auch für die Wandler 30, 31
und für die an deren Außenseite entlangführenden Leitungen vorgesehen sein. In der
Regel wird es jedoch vorgezogen, die eigentlichen Wandlerkörper nicht mit einer
Schutzhülle zu versehen, um die Amplitude der von den Wandlern ausgesendeten oder
empfangenen Signale nicht zu verkleinern.
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Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Kupplung
besteht das die mechanischen Beanspruchungen aufnehmende Glied 36 aus einer Kette,
die in der bereits erwähnten Weise in Gummi oder einem ähnlichen Material eingebettet
ist, wobei die Kettenglieder so angeordnet sind, daß zwischen den Berührungsflächen
mindestens einiger benachbarter Kettenglieder ein Zwischenraum bleibt. Bei einer
in dieser Weise eingebetteten Kette füllt der Gummi bzw. das synthetische Elastomer
die Räume zwischen den Kettengliedern aus, so daß jeder Kettenabschnitt dadurch
elektrisch entkoppelt ist, daß isolierendes Material mindestens zwischen einigen
einander benachbarten Kettengliedern vorhanden ist. Ferner ergibt sich durch das
Vorhandensein des Elastomeren an diesen Stellen eine zusätzliche Nachgiebigkeit.
Die elektrische Entkopplung bewirkt zusammen mit der Verlegung der elektrischen
Leitungen an der Außenseite der Wandler eine vollständige oder mindestens sehr erhebliche
Verminderung der unerwünschten elektrischen Störimpulse bei gleichzeitiger Verbesserung
der Aussendung und des Empfangs der erwünschten seismischen oder akustischen Impulse.
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Durch die Ausbildungsform nach F i g. 3 kann man die Vibrationen,
die sich bei der Bewegung des Untersuchungsgeräts in dem Bohrloch ergeben, erheblich
vermindern, indem man das Gerät mit einer im wesentlichen glatten Außenfläche versieht.
Bei einer solchen Ausbildung ist das die mechanischen Beanspruchungen aufnehmende
Kupplungsglied, die Kette 36, von Elastomermaterial in Form eines zylindrischen
Körpers 46 umgeben, auf dem die Wandler, z. B. der Wandler 30, befestigt
sind. Der zylindrische Körper 46 ist zwischen den Wandlern 30, 31
und
den Instrumentengehäusen 18 und 20 von ringförmigen Abschnitten oder
Hülsen 47 aus einem Elastomermaterial umschlossen. Die übertragungsleitungen
39 sind vorzugsweise in schraubenlinienförmig angeordneten Nuten 40 an der
Außenseite der Hülsenabschnitte 47 verlegt und mit den Zuleitungen der Wandler in
der beschriebenen Weise verbunden sowie längs der Außenfläche der Wandler weitergeführt.
Gegebenenfalls kann man das Bohrlochuntersuchungsgerät mit einer in F i g. 3 nicht
gezeigten verhältnismäßig dünnen Schutzhülle, ähnlich der in F i g. 2 gezeigten
Schutzhülle 45, versehen.
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F i g. 4 zeigt den oberen Abschnitt einer abgeänderten Ausbildungsform
einer erfindungsgemäßen Kupplung. Hierbei trägt das obere Instrumentengehäuse
18 den oberen Ring 28, der wie in F i g. 2
mit der
Verschraubung 37 in das Gehäuse 18 eingeschraubt ist. In diesem Falle ist das die
mechanischen Beanspruchungen aufnehmende Glied nicht als Kette ausgebildet, sondern
besteht es aus mehreren Drahtseilabschnitten 49, die durch Verschraubungen
miteinander verbunden sind, welche isolierende Mittel oder Buchsen enthalten. Gemäß
F i g. 4 endet der oberste Drahtseilabschnitt 49 in einem kegelstumpfförmigen
oder als Keil ausgebildeten Verankerungsteil50, das durch einen ringförmigen Konus
51 in dem Ring 28 festgehalten wird; der Ringkonus 51 besteht aus
einem isolierenden Material oder umgibt ein solches Material, so daß der Drahtseilabschnitt
49 von den übrigen über ihm angeordneten Metallteilen elektrisch abgekoppelt
ist. Das untere Ende jedes Drahseilabschnittes 49 ist mit Hilfe eines Gewindestücks
52 in eine Gewindebuchse 53 am oberen Ende des folgenden Drahtseilabschnitts
49 eingeschraubt. Diese Schraubverbindung kann gegebenenfalls eine hier nicht
gezeigte Buchse umfassen, die eine elektrische Entkopplung der beiden Abschnitte
49 bewirkt. Das untere Ende des untersten Drahtseilabschnitts ist an dem
Ring 29 (F i g. 1) befestigt.