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Anordnung zum Übertragen von elektrischen Meßsignalen mittels eines
Mehrleiterkabels Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Übertragen von
elektrischen Meßsignalen von einer in einem Bohrloch angeordneten akustischen Untersuchungseinrichtung
zu an der Erdoberfläche befindlichen Registriergeräten mittels eines Mehrleiterkabels
mit einer Länge ab etwa 500 m.
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Es sind bereits verschiedene Bauarten von meinem Bohrloch anzuordnenden
Untersuchungseinrichtungen bekannt, die in kurzen Abständen auftretende, hochfrequente
elektrische Impulse von kurzer Dauer liefern, welche mit Hilfe eines Bohrlochuntersuchungskabels
zur Erdoberfläche übermittelt werden. Bei der Untersuchung auf radioaktive Stoffe
führt z. B. der Nachweis radioaktiver Teilchen zur Erzeugung von kurz aufeinanderfolgenden
elektrischen Impulsen kurzer Dauer. Derartige elektrische Impulse treten auch bei
akustischen Untersuchungseinrichtungen auf, wenn zwei oder mehr in kurzen Abständen
voneinander angeordnete akustische Empfänger verwendet werden. Als Übertragungsstrecke
für diese elektrischen Impulse zu den an der Erdoberfläche liegenden Registriergeräten
hin werden bei Bohrlochuntersuchungen in der Regel Mehrleiterkabel verwendet, an
die die Untersuchungseinrichtung angehängt wird. Da zum Tragen der Untersuchungseinrichtung
das Kabel eine relativ große Festigkeit besitzen muß, dürfen sich die Kabelinnenleiter
nur parallel zueinander erstrecken und nicht miteinander kreuzweise verdrillt sein,
damit nicht durch den im Kabel herrschenden Zug die Isolation zwischen sich kreuzenden
Leitern zerquetscht wird und Kurzschlüsse auftreten. Beider Übertragung der Impulse
über derartige Mehrleiterkabel ist es bis jetzt nicht zu vermeiden, daß eine starke
Verzerrung der Impulse und eine Vergrößerung ihrer Breite stattfindet. In den üblichen
Fällen, in denen die Abstände zwischen den Impulsen weniger als 100 Mikrosekunden
betragen, ergibt sich eine erhebliche Überlappung zwischen den Impulsen, so daß
es unmöglich ist, die einzelnen Impulse nach ihren Entstehungszeiten zu unterscheiden.
Damit ist aber eine genaue Untersuchung auf radioaktive Teilchen bzw. eine richtige
Analyse des Bohrloches nicht durchführbar.
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Um diese Schwierigkeiten auszuschalten, wurden bereits verschiedene
Fernmeßsysteme entwickelt, bei denen es nicht erforderlich ist, kurz aufeinanderfolgende
schmale elektrische Impulse zu übertragen. Beispielsweise verwendet man beim Aufsuchen
radioaktiver Stoffe bei der in das Bohrloch herabzulassenen Einrichtung eine sogenannte
Verkürzungsschaltung, die jeweils für eine bestimmte Zahl von Impulsen, welche von
der Einrichtung tatsächlich abgegeben werden, nur einen einzigen Impuls zur Erdoberfläche
übermittelt. Bei akustischen Untersuchungseinrichtungen hingegen zieht man in der
Einrichtung innerhalb des Bohrloches elektrische Schaltungen vor, welche jeweils
den Zeitabstand zwischen zwei schmalen Impulsen meine dazu proportionale Gleichspannung
verwandeln, die dann zur Erdoberfläche übermittelt wird. Zwar liefern diese beiden
bekannten Verfahren brauchbare Ergebnisse, doch machen sie die Verwendung komplizierter
Schaltungen in der Bohrlochuntersuchungseinrichtung erforderlich, wodurch deren
Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit der übermittelten Informationen beeinträchtigt
wird.
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Mit der Verwendung eines koaxialen Breitbandkabels als Verbindungsleitung
zwischen der in einem Bohrloch angeordneten akustischen Untersuchungseinrichtung
und den an der Erdoberfläche befindlichen Registriergeräten könnten die bei den
kurz aufeinanderfolgenden elektrischen Impulsen auftretenden, oben aufgezeigten
Schwierigkeiten zwar weitgehend vermieden werden. Die Verwendung eines derartigen
koaxialen Breitbandkabels ist aber insbesondere
in den Fällen,
in denen mehrere übertragimgskanäle benötigt werden, im Hinblick auf die große Länge
eines solchen Kabels so teuer, daß sie unwirtschaftlich ist und nicht in Betracht
kommt.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Übertragen von elektrischen
Meßsignalen von einer in einem Bohrloch angeordneten akustischen Untersuchungseinrichtung.
zu an der Erdoberfläche befindlichen Registriergeräten 'zu schaffen, bei der trotz
der bekannten Anwendung eines Mehrleiterkabels als Übertragungsstrecke dennoch eine
ausgezeichnete Übertragungsqualität gewährleistet ist, die mit der eines Koaxialkabels
vergleichbar ist.
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Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Übertragung
der .Signale drei Leiter des Kabels dienen und der Sender auf der Senderseite an
zwei Leiter und der Empfänger auf der Empfängerseite an einen dieser beiden Leiter
und an den dritten Leiter angeschlossen ist.
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Wie zahlreiche mit unterschiedlichen Kabeln angestellte Versuche zeigten,
hat sein gemäß der Erfin-_ Jung geschaltetes Mehrleiterkabel über einen großen Frequenzbereich
hinweg eine gleichbleibende Übertragungsqualität, so daß eine überlappung zwischen
den in kurzen Abständen aufeinanderfolgenden elektrischen Impulsen nicht mehr auftritt.
Die Gründe für :eine derartige Verbesserung der übertragungsqualität sind nicht
bekannt. Offenbar ergänzen sich bei einem Mehrleiterkabel von etwa 500 m ab, wie
es bei Bohrlochuntersuchungen Verwendung findet, durch die erfindungsgemäße Zusammenschaltung
der einzelnen Kabeladern die das Übertragungsmaß bestimmenden Faktoren gegenseitig,
so daß das Kabel-,eine lineare Amplituden- und Phasencharakteristik aufweist.
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Eine weitere Verbesserung der Übertragungsqualität eines wie üblich
bei Bohrlochunbersuchungen verwendeten und gemäß der Erfindung geschalteten Mehrleiterkabels
kann dadurch erreicht werden, daß auf der Senderseite und/oder auf der Empfängerseite
zwischen dem einen der beiden Leiter, an die der Sender bzw. der Empfänger angeschlossen
ist, und dem dritten Leiter eine leitende Verbindung besteht, wobei die leitenden
Verbindungen jedoch auf der Senderseite ein anderes Leitungspaar verbinden als auf
der Empfängerseite.
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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 zeigt die übliche Schaltung zum übertragen elektrischer Signale
über zwei Leiter eines Mehrleiterkabels; F i g. 2 a zeigt die Form der von dem Sender
in F i g. 1 abgegebenen Impulse; F i g. 2'b zeigt die mit Hilfe eines Kabels nach
F i g. 1 übertragenen verzerrten Impulse; F i g. 3 veranschaulicht die Übertragung
elektrischer Impulse mit Hilfe eines gemäß der Erfindung geschalteten Mehrleiterkabels;
F i g. 4 a ist eine der F i g. 2 a entsprechende Darstellung; F i g. 4 b zeigt die
über ein Kabel nach F i g. 3 übertragenen Impulse der F i g. 4 a; F i g. 5 ist eine
schematische Darstellung eines gemäß der Erfindung geschalteten, akustischen Bohrlochuntersuchungssystems;
um Impulse von der in dem Bohrloch angeordneten Untersuchungseinrichtung zur Erdoberfläche
hin zu übertragen; F i g. 6 veranschaulicht die Impulse, welche mit Hilfe des akustischen
Untersuchungssystems nach F i g. 5 übertragen werden, während F i g. 7 einen Querschnitt
durch das Kabel nach F i g. 5 zeigt.
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In F i g. 1 ist ein Mehrleiterkabel 10 gezeigt, das sechs Leiter 11
bis 16 umfaßt, welche auf den Ecken eines Sechsecks angeordnet sind. Die äußere
Umhüllung des Kabels ist als gewebter Metallmantel ausgebildet, so daß sie als Erdungsleitung
verwendet werden kann. Die einzelnen Leiter sind .bei dem gezeigten Untersuchungskabel
die ganze Länge des Kabels parallel angeordnet und nicht miteinander gekreuzt, um
die Querkopplung zwischen den Leitern zu verringern. Mit 20 ist ein Sender bezeichnet,
der an die Leiter 11 und 16 angeschlossen ist, und der Leiter 11 ist bei 21 geerdet.
Am anderen Ende des Kabels wird das Signal den gleichen Leitern 11 und 16 entnommen.
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In F i g. 2 a ist die Wellenform mehrerer schmaler elektrischer Impulse
dargestellt, die hochfrequente Komponenten 22 enthalten. Wenn ein hochfrequentes
Signal dieser Wellenform auf der Senderseite dem Kabel nach F i g. 1 zugeführt wird,
erscheint es auf der Empfängerseite des Kabels mit einer Wellenform, die der in
F i g. 2b gezeigten ähnelt und bei der die Impulse 23 verzerrt und auseinandergezogen
sind, so daß es unmöglich ist, :die Zeitabstände zwischen den einzelnen Impulsen
genau zu ermitteln.
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Gemäß F i g. 3 ist ein Kabel 30 vorgesehen, das sechs Leiter 31 bis
36 enthält, welche gleichfalls auf den Ecken eines Sechsecks angeordnet sind. Außerdem
ist das Kabel mit einer äußeren Umhüllung 37 aus Metall versehen. Der mit 38 bezeichnete
Sender für schmale Impulse ist auf der Senderseite des Kabels 30 an den Leiter 31
und die äußere Umhüllung 37 angeschlossen. Außerdem ist der Leiter 36 elektrisch
mit der metallischen Umhüllung bzw. dem Leiter 37 verbunden, der bei 39 geerdet
ist. Die Impulse werden dem Kabel auf der Empfängerseite über die Leiter 31 und
36 entnommen, wobei der Leiter 31 auf der Empfängerseite mit der äußeren Umhüllung
bzw. dem Leiter 37 verbunden und geerdet ist. Zwar wird bei der Ausbildungsform
nach F i g. 3 die äußere Umhüllung 37 als gemeinsamer Leiter des Erdungsstromkreises
benutzt, doch könnte man zu diesem Zweck auch einen der übrigen Leiter 32 bis 35
verwenden. Im letzteren Fall verringert sich natürlich die Zahl der verfügbaren
Übertragungswege des Kabels.
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Statt die Anordnung nach F i g. 3 zu benutzen, kann man eine verbesserte
Übertragung hochfrequenter elektrischer Impulse auch dann erzielen, wenn man die
Signale einfach auf der Senderseite zwei Leitern zuführt, z. B. den Leitern
31 und 36, während man die Signale auf der Empfängerseite einem anderen Leiterpaar
entnimmt, das einen Leiter umfaßt, welcher beiden Leiterpaaren gemeinsam ist; beispielsweise
könnte man die Signale auf der Empfängerseite den Leitern 35 und 36 entnehmen. In
diesem Fall würde der Leiter 36 der Senderschaltung auf der Senderseite des Kabels
und der Empfängerschaltung auf der Empfängerseite gemeinsam sein.
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Aus F i g. 4 b erkennt man, daß die Wellenform der Impulse
40 gegenüber der Wellenform der in F i g. 4 a gezeigten Impulse 22 nur geringfügig
verzerrt ist. Man kann somit noch genau die 'Zeitabstände zwischen den einzelnen
Impulsen und die ursprüngliche
Impulsform erkennen, so daß eine
Erhöhung der Impulsfrequenz und eine Vergrößerung der Länge des Kabels möglich ist,
ohne daß die Unterscheidungsmöglichkeit der einzelnen Impulse beeinträchtigt wird.
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In F i g. 5 ist ein akustisches Bohrlochuntersuchungssystem dargestellt,
bei dem ein Untersuchungsgerät in einem Bohrloch 60 herabgelassen wird, um die akustischen
Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Formation zu bestimmen. Das Bohrlochuntersuchungsgerät
umfaßt einen Impulsgenerator 61, der einen Sender 62 speist, durch
den ein Zug von akustischen Impulsen oder Wellen erzeugt wird. Die akustischen Impulse
passieren die betreffende Formation und werden von zwei Empfängern 63 und 64 aufgenommen,
die in einem relativ kurzen Abstand voneinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen
den Empfängern kann von wenigen Zentimetern bis zu einigen Metern variieren, so
wählt man normalerweise einen geringen Abstand, der zu einem zeitlichen Abstand
in der Größenordnung von 100 Mikrosekunden oder weniger zwischen den Zeitpunkten
des Eintreffens der akustischen Impulse an den beiden Empfängern führt. Die Empfänger
63 und 64 sind mit getrennten Schaltverstärkern 65 bzw. 66 verbunden, die so ausgebildet
sind, daß sie die anfängliche Halbwelle jedes Empfängersignals übertragen, dann
einen schmalen zackenförmigen Impuls von großer Amplitude hinzufügen und schließlich
den Empfänger abschalten.
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Das von der Bohrlochuntersuchungseinrichtung aus übermittelte Signal
ist in F i g. 6 dargestellt, wobei die Impulse 73 und 75 jeweils die erste Halbwelle
der Empfängersignale wiedergeben, während die Impulse 74 und 76 die durch die Schaltverstärker
65 und 66 hinzugefügten zackenförmigen Impulse darstellen. Hierbei befindet sich
der tiefer liegende Empfänger 63 nicht in Tätigkeit, so daß er kein Signal überträgt,
wenn der akustische Impuls vom Empfänger 64 aufgenommen wird. Damit wird die Gefahr
vermieden, daß das Signal des Empfängers 63 das Signal des Empfängers 64 überdeckt.
Die verschiedenen .Schaltungen sind mit den an der Erdoberfläche befindlichen Registriergeräten
durch ein Mehrleiterkabel verbunden, das sechs Leiter 51 bis 56 und eine äußere
Umhüllung 57 aus Metall umfaßt. Die einzelnen Leiter sind in F i g. 5 als parallel
in einer Ebene verlaufende Leiter dargestellt, tatsächlich sind die Leiter aber
in der aus F i g. 7 ersichtlichen Weise in einem Kabel von kreisrundem Querschnitt
auf den Ecken eines Sechsecks angeordnet. Eine Verstärkerstromquelle 70 ist mit
den in dem Bohrloch angeordneten Schaltverstärkern 65 und 66 durch die Leiter 55
und 56 verbunden. Entsprechend ist eine Senderenergiequelle mit dem Impulsgenerator
61 durch den Leiter 51 und die äußere Umhüllung 57 verbunden. Somit stehen die drei
Leiter 52, 53 und 54 für die übermittlung der Impulse der Schaltverstärker zur Verfügung.
Die Schaltverstärker sind am unteren Ende des Kabels an die Leiter 52 und
53 angeschlossen, während das Signal dem Kabel an der Erdoberfläche über
die Leiter 53 und 54 entnommen wird. Dort wird das Signal mit Hilfe eines Oszillographen
72 sichtbar gemacht.