DE1237797B - Vorrichtung zur geophysikalischen Bohrlochuntersuchung - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTWVSV PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 42 c-42

Nummer: 1237797

Aktenzeichen: Sch 31477IX b/42 c

1 237 797 Anmeldetag: 15.Mail962

Auslegetag: 30. März 1967

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur geophysikalischen Bohrlochuntersuchung, die einen langgestreckten, rohrförmigen Träger aufweist, an welchem wenigstens zwei akustische Schwingungsübertragungssysteme (Empfänger und/oder Sender) in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.

Bei der Untersuchung wird ein solcher Träger durch ein mit Flüssigkeit gefülltes Bohrloch abgesenkt. Normalerweise weist der Träger zwei oder mehr Übertragungssysteme auf, die mit bestimmter Entfernung voneinander angeordnet und befestigt sind. Bei einem typischen akustischen Träger mit drei Übertragungssystemen dient eines der Übertragungssysteme als ein Sender für akustische Wellen, und die restlichen Übertragungssysteme dienen als Empfänger für diese Wellen. Die Empfänger sind mit einem vorherbestimmten Abstand zueinander angeordnet und liegen an einer Seite des Senders längs der längsseitigen Achse des Trägers vor. Bei dem Betrieb wird der Sender in dem Träger periodisch elektrisch betätigt, so daß derselbe Impulse akustischer Energie (oder Druckwellen) aussendet, die von dem Sender aus nach außen mit einer Geschwindigkeit fortgeleitet werden, die von den Medien bestimmt wird, durch die die Energie hindurchtritt. Die Ankunft der akustischen Energie an den hintereinander angeordneten Empfängern wird festgestellt, um einen Zeitgeberkreis in dem Träger auszulösen, der dazu dient, die Zeit festzustellen, die ein gegebener Impuls der Energie benötigt, um die vorherbestimmte Entfernung zwischen den zwei Empfängern zurückzulegen. Aus der durch den Zeitgeberkreis erhaltenen Zeitmessung kann eine komplexe Geschwindigkeit der Medien bestimmt werden, durch die ein akustischer Impuls hindurchgetreten ist. Diese komplexen Geschwindigkeitsanzeigen können ihrerseits in Relation zu spezifischen Erdformationen oder anderen Medien gebracht werden. Anzeigen bezüglich der in offenen Bohrlöchern erhaltenen Laufzeit oder Geschwindigkeit können ebenfalls in Relation zu der porösen Eigenschaft der Erdformationen gebracht werden. Gegebenenfalls kann diese zeitliche Funktion mit lediglich einem Sender und einem einzigen Empfänger erstellt werden.

Die hier erwähnte akustische Energie kann in allgemein bekannter Weise durch piezoelektrische oder magnetostriktive Übertragungssysteme erzeugt oder aufgefangen werden.

In einem typischen offenen Bohrloch wird der akustische Träger allgemein im Abstand von der Wandung des Bohrloches angeordnet, so daß die ausVorrichtung zur geophysikalischen
Bohrlochuntersuchung

Anmelder:

Schlumberger Well Surveying Corporation,
Houston, Tex. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,
Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:
Nick August Schuster,
Houston, Tex. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. Mai 1961 (110 468)

gestrahlte akustische Wellenenergie oder Druckimpulse zunächst in allen Richtungen durch die Flüssigkeit (gewöhnlich Schlamm) in dem Bohrloch übertragen werden, und nachdem dieselben durch die Flüssigkeit über die Entfernung des Trägers zu der Wandung des Bohrloches gelaufen sind, wird ein Teil der sich bewegenden Wellenenergie auf die benachbarten Erdformationen übertragen. Die charakteristische Geschwindigkeit der Wellenbewegung oder der Wellenenergie durch die Flüssigkeit in dem Bohrloch liegt gewöhnlich in der Größenordnung von 1520 m/Sek., wobei die charakteristische Geschwindigkeit der Wellenbewegung durch die Erdformationen zwischen 1520 und 7600 m/Sek. betragen kann. Somit bewegt sich der Teil der in die Erdformationen übertragenen akustischen Wellenenergie im allgemeinen mit größerer Geschwindigkeit als der entsprechende Teil der in der Bohrlochflüssigkeit sich bewegenden Wellenenergie. Auf Grund dieser Tatsache erreicht der Teil der sich durch die Erdformationen bewegenden Wellenenergie einen Empfänger eher als der Teil der akustischen Wellenenergie, der sich durch die Bohrlochflüssigkeit bewegt. Es ist dieses Merkmal der höheren Geschwindigkeit in den Erdformationen, das die Messung der Geschwindigkeit der akustischen Energie in den ein Bohrloch umgebenden Erdformationen ermöglicht.

Da nun aber die Geschwindigkeit akustischer Energie in Stahl, z. B. in einem Stahlmantel, in der Größenordnung von 5080 m/Sek. liegt, also mitten im Bereich, in welchem die charakteristische Ge-

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schwindigkeit der akustischen Wellenbewegung durch die zu untersuchenden Erdförmationen schwankt, sieht man sofort, daß die Untersuchung von Erdformationen unter Verwendung von Stahlmänteln zu dem Nachteil führt, daß die über den Stahlmantel kommende akustische Impulswelle beim Empfänger gleichzeitig mit der über die Erdformationen gelaufenen ankommt und nicht eindeutig unterschieden werden kann.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist bereits vorgeschlagen worden, zwischen Sender und Empfänger ein akustisches Filter in Gestalt von Metallstangen vorzusehen, zwischen welchen Gewichte in bestimmten Abständen zueinander angeordnet sind, wodurch die Übertragung der akustischen Energie vom Sender direkt zum Empfänger gedämpft wird. Obgleich diese Anordnung sehr teuer in der Herstellung ist, beseitigt sie doch nicht die vorstehend aufgeführten Schwierigkeiten, da das über das akustische Filter gedämpfte Signal immer noch zeitlich zusammen mit dem über die Erdformation gelaufenen Signal ankommen kann und damit nicht klar unterschieden wird.

Ferner ist vorgeschlagen worden, Sender und Empfänger durch eine Stahlkette (aus Festigkeitsgriinden) zu verbinden, um die herum ein elastisches Material gegossen ist, in das Sender und Empfänger eingebettet sind. Bei einer solchen Ausbildung kommen wieder beide fraglichen Signale, das eine zwar gedämpft, beim Empfänger an. Außerdem hat diese Einrichtung nicht die Festigkeit, wie sie in einem Bohrloch erwünscht und erforderlich ist.

Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten dadurch behoben, daß der rohrförmige Träger aus einem kräftigen, starren Material besteht und zur Verlängerung des effektiven akustischen Übertragungsweges zwischen den Übertragungssystemen und damit gleichzeitig zur Schwächung der akustischen Energie entsprechend angeordnete Löcher, Schlitze, sonstige Ausnehmungen oder Einschnitte enthält

Die erfindungsgemäße Verbindung der beiden Übertragungssysteme weist die für den Betrieb im Bohrloch erforderliche Festigkeit auf. Sie läßt sich ferner verhältnismäßig preiswert herstellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig-I eine Ansicht der erfindungsgemäßen akustischen Untersuchungsvorrichtung,

Fig. 2 einen längsseitigen Querschnitt längs der Linie2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung und einen Schnitt durch die Vorrichtung benachbart zu einem Übertragungssystem,

Fig. 4 und 5 Ansichten im Querschnitt längs der Linie 4-4 der Linie 5-5 der F i g. 3,

Fig. 6 eine Ansicht der äußeren Zylinderoberfläche eines Teiles der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, und zwar aufgewickelt in der Zeichnungsebene,

Fig. 7 und 8 Ansichten äußerer Zylmderoberflächen, die in der Zeichnungsebene entwickelt sind und weitere Ausführungsformen erläutern, die die Umrißform der Vorrichtung annehmen kann,

Fig. 9 eine Ansicht einer äußeren Oberfläche eines Vorrichtungsteils mit einer weiteren Umrißform,

Fig. 10 eine Ansicht im Querschnitt längs der Linie 22-22 der Fig. %

Fig. 11 eine Ansicht einer äußeren Oberfläche eines Vorrichtungsteils mit einer weiteren Umrißform,

F i g. 12 eine Ansicht im Querschnitt eines weiteren Befestigungssystems für die Übertragungssysteme der in der F i g. 1 gezeigten Vorrichtung.
Unter dem hier angewandten Ausdruck »akustische

ίο Energie« ist im wesentlichen die Druckwellenenergie zu verstehen, jedoch soll nicht eine akustische Energie, wie Scherwellenenergie usw., ausgeschlossen sein. Unter dem Ausdruck »charakteristische Geschwindigkeit« ist der Geschwindigkeitswert zu verstehen, der normalerweise dann erhalten wird, wenn ein Impuls der akustischen Energie durch einen massiven, nicht unterbrochenen Gegenstand in gerader Linie zwischen zwei feststehenden Punkten in einer gegebenen Zeit verläuft. Der Ausdruck »feststellbare«

so akustische Energie bedeutet akustische Energie mit einem Charakteristikum, das in der Lage ist, ein Übertragungssystem zu erregen, so daß ein feststellbarer Kreis auf das elektrische Signal anspricht, das auf Grund des Charakteristikums der akustischen

as Energie erzeugt worden ist. Unter dem Ausdruck »scheinbare Geschwindigkeit« ist ein scheinbarer Geschwindigkeitswert zu verstehen, der dann normalerweise erhalten wird, wenn ein Impuls der feststellbaren akustischen Energie durch eine erfindungsgemäße Anordnung zwischen zwei festliegenden Punkten längsseits zu der Anordnung innerhalb eines Zeitintervalls verläuft, der unterschiedlich zu dem normalerweise zu erwartenden Zeitintervall der Anordnung in ihrer massiven Umrißform ist. Unter dem Ausdruck »akustischer Weg« ist ein massives, praktisch kontinuierliches Material zu verstehen, das ein Medium ergibt, durch das die akustische Wellenenergie übertragen werden kann.
Die folgende Beschreibung erläutert drei Ausführungsformen der Erfindung, die in der akustischen Untersuchungsvorrichtung mit einstückigem, röhrenförmigem Träger angewandt werden.

Bei der ersten und bevorzugten Ausführungsform wird ein einstückiger Träger vorgesehen, der ein kleines Geschwindigkeitscharakteristikum, d. h. 1520 bis 1825 m/Sek. aufweist, das durch Ausnehmungen in dem Träger erreicht wird, die so vorgesehen sind, daß ein relativ langer akustischer Weg und eine relativ kleine Federkonstante relativ zu der Masse des Trägers erreicht wird.

Bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist ein einstückiger Träger ein mittleres Geschwindigkeitscharakteristikum auf, d. h. 3030 bis 3350 m/Sek. werden durch Ausnehmungen in dem Träger erreicht, die so angeordnet sind, daß sich ein relativ langer effektiver akustischer Übertragungsweg und Interferenz der akustischen Energie in dem akustischen Übertragungsweg zwecks Schwächung der akustischen Energie ergibt. Auf Grund der Anordnung und des Charakters der Ausnehmungen wird lediglich eine mittlere Federkonstante relativ zu der Masse des Bauteils erreicht.

Bei der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist ein einstückiger röhrenförmiger Träger ein mittelgroßes Geschwindigkeitscharakteristikum auf, d. h. 3800 m/Sek., das durch Ausnehmungen in dem Träger erreicht wird, die so angeordnet sind, daß eine relativ große Federkonstante und erhebliche

Interferenz in dem akustischen Weg zwecks Schwächung der akustischen Energie erreicht wird.

Die genaue theoretische Wirkung der Frequenz des Energieimpulses auf die Geschwindigkeit ist nicht genau bestimmt worden. Es wurden jedoch die folgenden Wirkungen beobachtet: Ein überwiegender Frequenzwert für einen EnergieimpuIs eines gegeben nen Senders kann als die Resonanzfrequenz des Senders nachgewiesen und leicht durch Messen der zeitWinde aufgewickelt ist und elektrisch an entsprechende Anzeige- und Aufzeichnungsvorriehtungen an der Erdoberfläche angeschlossen ist.

Wie weiter oben angegeben, findet bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ein akustischer Untersuchungsträger mit einem Gehäuse Anwendung, das einen relativ langen akustischen Weg und geringe Federkonstante bezüglich der Masse des Trägers besitzt. Die F i g. 1 bis 8 beziehen sich auf diese erfinlichen Periode einer Phase bestimmt werden. Es ist i₀ dungsgemäße Ausführungsform,
zu beachten, daß ein Energieimpuls eines Senders I_n der F i g. 1 ist ein länglicher, jedoch starr geim allgemeinen aus einer Vielzahl an Frequenzen bauter akustischer Untersuchungsträger 20 gezeigt, über und unter der vorwiegenden Frequenz besteht. der in der oben beschriebenen üblichen Weise durch Die Intensität der Frequenzkomponenten stellt all·- ein Bohrloch (nicht gezeigt) mittels eines armierten gemein bei der vorwiegenden Frequenz ein Maximum 15 elektrischen Kabels 21 und einer Winde (nicht gedar und nimmt für die Frequenz über und unter der zeigt) geführt wird, die auf der Erdoberfläche ange-

vorwiegenden Frequenz ab.

Die Fähigkeit eines röhrenförmigen Trägers, Schall zu leiten^ wird von den folgenden Faktoren abhängen:

(1) akustische Weglänge,

(2) Schwächungsneigung oder Inhibierungscharakteristik,

(3) Federkonstante und Massenlänge pro Einheit.

ordnet ist. Der Träger 20 weist ein oberes röhrenförmiges Gehäuse 22 und ein unteres röhrenförmiges Gehäuse 23 auf, die beide vorzugsweise aus Stahl be-20 stehen. Eine einzelne Abstützvorrichtung 24 zum Zentrahsieren der Anordnung ist an dem Schwerpunkt des Trägers 20 in dem Fäll angeordnet, wenn derselbe in dem Bohrloch zentriert angeordnet werden soll. Wahlweise können gegebenenfalls zwei oder Wenn man die Durchlässigkeitsbereiehe eines Fil- 25 mehr derartige zentralisierende Abstützungen längsters und weitere frequenzempfindliche Erscheinungen seits des Trägers angewandt werden. Gegebenenfalls außer Betracht läßt, kann man allgemein sagen, daß kann eine Abtastvorrichtung 25 zum Messen des die maximale Geschwindigkeit durch die Weglänge Bohrlochdurchmessers zusammen mit dem Träger 20 bestimmt wird. Für eine gegebene Wegbreite können z. B. an dessen unterem Ende angeordnet sein, wie Schallfrequenzen, deren Wellenlänge weniger als ein 30 es in der Zeichnung gezeigt ist.
Viertel der Wegbreite beträgt, mit relativ geringem Innerhalb des oberen Gehäuses 22 sind elektro-Widerstand hindurchtreten. Bei Abnahme der Fre- nische Bauelemente und Schaltkreise vorgesehen, die quenz nimmt die Viertelwellenlänge zu, und der periodisch den Sender T betätigen und die Meßfunk-Widerstand gegenüber dem Durchtritt wird erhöht, tiori auf Grund der von den Empfängern R₁ und R₂ wodurch eine Verringerung der Signalintensität er- 35 empfangenen Signale durchführen. Die elektro-

zielt wird. Dies wird ebenfalls durch eine Abnahme der Übertragungsgeschwindigkeit begleitet. Während die Frequenz weiterhin abnimmt, nimmt der Widerstand gegenüber dem Durchtritt zu, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit nimmt ab, bis der Grenzwert auf der Grundlage der Federkonstante und Masse pro Längeneinheit erreicht ist. Hierdurch .ergibt sich, daß die scheinbare, feststellbare Geschwindigkeit in etwa zwischen die Werte fällt, die durch die Bestimmung der Federkonstantemasse und durch eine Bestimmung der Länge des akustischen Weges in Abhängigkeit von der Frequenzverteilung des akustischen Impulses erhalten worden sind. Wie zu erwarten, bewegt sich bei einem röhrenförmigen Träger aus Stahl, der

nischen Schaltkreise stehen über das Kabel 21 mit herkömmlichen Anzeige- und Aufzeichnungsinstrumenten (nicht gezeigt) auf der Erdoberfläche in Verbindung.

Das untere röhrenförmige Gehäuse 23 (F i g. 1) weist drei in ähnlicher Weise ausgeführte Abschnitte des Übertragungssystems auf, die das Bezugszeichen 3fr tragen und jeweils mit dem kleinen Buchstaben a, b und c versehen sind. Diese Abschnitte 30 können voneinander durch gleich ausgebildete akustische Schwächungsabsehnitte getrennt sein, die das Bezugszeichen 31 tragen und untereinander durch die Büchstaben a und b gekennzeichnet sind. Im allgemeinen ist jeder dieser Abschnitte 30 derart ausge-

so konstruiert und angeordnet ist, daß derselbe eine 50 bildet, daß eine Bewegung der akustischen Energie gegebene scheinbare Geschwindigkeit aufweist, die zwischen einem Übertragungssystem im Inneren des mittels des weiter oben abgeleiteten Verhältnisses röhrenförmigen Gehäuses und den Flüssigkeiten oder berechnet worden ist, ein Energieimpuls mit z.B. Schlämmen in dem Bohrloch ermöglicht und erleicheiner überwiegenden Frequenz von 30 Kilohertz tert wird, wobei diese Flüssigkeiten oder Schlämme durch das Gehäuse mit einer tatsächlichen scheinba- 55 natürlich außerhalb des röhrenförmigen Gehäuses

ren Geschwindigkeit, die größer als eine berechnete scheinbare Geschwindigkeit ist, die sich aus der Federkonstante und Gewicht pro Längeneinheit ableitet.

Unter Bezugnahme auf die speziellen Erläuterungen der vorliegenden Erfindung ist zu beachten, daß bei der erfmdungsgemäßen Anordnung ein länglicher und im allgemeinen zylinderförmiger Träger in Anwendung kommt, der in ein eine Bohrflüssigkeit ent-

vorliegen. Weiterhin ist im allgemeinen jeder akustische Schwächungsabschnitt 31 derart ausgebildet, daß die scheinbare Zeit verlängert wird, die die akustische Energie benötigt, um über die Abschnitte 30 übertragen zu werden.

Wie schematisch in der Fig.2 gezeigt, können magnetostriktive Übertragungssysteme 35 und 35a in jeder geeigneten Weise an einer röhrenförmigen Abstützung 34 mit niedriger Schallgeschwindigkeit be

haltendes Bohrloch abgesenkt wird. Der Träger ist so 65 festigt sein. So kann die Stange 34 z. B. aus einem

angepaßt, daß er durch das Bohrloch mittels eines Kunststoff, wie Tetrafluoräthylen, bestehen, das eine

armierten elektrischen Kabels geführt wird, das auf Schallgeschwindigkeit von 1340 m/Sek. besitzt. Die

einer auf der Erdbodenoberfläche angeordneten elektrischen Zuleitungen für die akustischen Uber-

tragungssysteme 35 und 35 α können durch nicht gezeigte Öffnungen in dem Rohr 34 zu dem röhrenförmigen Gehäuse 22 geführt sein. Die Übertragungssysteme 35 und 35 a weisen herkömmliche Bauart auf und brauchen nicht weiter im einzelnen beschrieben ,zu werden. Das Rohr 34 kann in jeder geeigneten und zweckmäßigen Weise mit dem unteren Gehäuse 23 verbunden sein.

Ein Übertragungsabschnitt 30 weist, wie aus den F i g. 2 bis 4 zu ersehen ist, eine Vielzahl an Öffnungen 36 in dem Gehäuse 23 auf, die, wie dargestellt, im gleichen Abstand um den Umfang des Gehäuses herum verlaufen. Die Breite einer Öffnung 36 zwischen ihren parallelen und sich längsseitig erstreckenden Seitenoberflächen36a, 36& (Fig. 3, 4) ist im allgemeinen gleich der Breite des stehengebliebenen Materials 37 zwischen benachbarten Öffnungen 36. Die Länge einer Öffnung 36 wird durch obere und untere innere Endoberflächen 36c, 36 d (Fig. 2 und 3) begrenzt, die in Richtung zueinander von der äußeren Oberfläche des Gehäuses 23 zu dessen innerer Oberfläche hin nach innen geneigt sind. Die Länge der Öffnungen 36 sollte im allgemeinen gleich oder größer als die Abmessung in Längsrichtung eines Übertragungssystems 35 im Inneren des Gehäuses sein. Da ein typisches magnetostriktives Übertragungssystem eine nicht unerhebliche Längsabmessung (5 bis 7,5 cm bei einem typischen Instrument) aufweist, sind die Öffnungen 36 so dargestellt, daß dieselben in Längsrichtung zu dem Gehäuse sich in länglicher Form erstrecken. Die Abschnitte 37 des Gehäuses zwischen den Öffnungen 36 genügen jeder vorkommenden Belastung. Vorzugsweise sind acht bis zwölf derartige Öffnungen 36 um den Umfang des Gehäuses herum für ein magnetostriktives Übertragungssystem vorgesehen, das hauptsächlich radiale Druckwellen aussendet. Es wurde gefunden, daß dieser Öffnungsbereich zu einem Wirkungsgrad der Übertragung der Schallwellen radial aus oder in das Gehäuse führt, der bei 98 bis praktisch 100% liegt.

Jeder akustische Schwächungsabschnitt 31 ist derart ausgebildet, daß sich um den Umfang herum und über die Länge des Gehäuses 23 Öffnungen ergeben, die eine allgemeine Labyrinthform aufweisen. Somit findet eine akustische Wellenübertragung in Längsrichtung zu dem Gehäuse auf die Weise statt, daß sich die Schallwellen durch das Labyrinth hindurchbewegen, das sich zwischen aufeinanderfolgenden Stellen erstreckt, die längs einer Mantellinie des unteren Gehäuses 23 verlaufen, und der Weg durch das Labyrinth hindurch ist größer als der geradlinige Weg. Wie sich insbesondere aus den Fig. 2, 3, 5 und 6 ergibt, zeigt ein akustischer Schwächungsschnitt 31 ein charakteristisches Muster. Das hier gezeigte bevorzugte Muster besteht aus einer ersten Gruppe 40 und einer zweiten Gruppe 50 von Schlitzen in dem Gehäuse 23, die sich über die Länge des Gehäuses abwechseln. Diese Schlitzgruppen 50 und 40 sind voneinander durch ringförmige, feste Abschnitte 45 des Gehäuses getrennt. Eine typische erste Schlitzgruppe 40 besteht aus drei Schlitzen 41, 42 und 43 (Fig. 5 und 6), die eine längliche Form aufweisen und in einer Ebene senkrecht zur Gehäuseachse verlaufen. Die Schlitze 41, 42 und 43 weisen gleiche Abstände zueinander auf und haben zwischen sich kurze Abschnitte 41a, 42 a und 43 a des Gehäuses. Der Zentriwinkel zu jedem Schlitz 41, 42 und 43

beträgt etwa 90°, während der Zentriwinkel jedes festen Abschnittes dazwischen etwa 30° beträgt.

Zu einer zweiten Gruppe 50 von Schlitzen gehören die drei Schlitze 51, 52 und 53 (F i g. 6), die ebenfalls in einer Ebene senkrecht zur Gehäuseachse verlaufen. Die Schlitze 51, 52 und 53 weisen gleiche Abstände zueinander auf und haben zwischen sich kurze Abschnitte 51a, 52 a und 53 a des Gehäuses.

Damit der lineare Weg in Längsrichtung zu dem Gehäuse unterbrochen wird, sind benachbarte Gruppen 40 und 50 von Schlitzen in einem Winkel um die Achse versetzt zueinander angeordnet, so daß die festen Gehäuseabschnitte 41a, 42 a, 43 a oder 51a, 52a, 53a jeweils zwischen die Mittelteile der längliehen offenen Abschnitte der Schlitze der benachbarten Schlitzgruppe zu liegen kommen. Somit liegt kein geradliniger Materialweg in Längsrichtung zu dem Gehäuse vor, vielmehr ist der akustische Weg in Längsrichtung zu dem Gehäuse labyrinthartig und wesentlich länger, als es ein entsprechender geradliniger Weg sein würde.

Der Abstand zwischen den Ebenen, auf denen Schlitzgruppen 40 und 50 angeordnet sind, sowie die Breite der ringförmigen, massiven Abschnitte 45 sollten ziemlich einheitlich sein und eine Abmessung aufweisen, die eine Viertelwellenlänge oder kleiner als die überwiegende Frequenz des Energieimpulses ist. Dadurch wird ein Impuls in den Frequenzen, wo er am stärksten ist, am meisten geschwächt. Die höheren Frequenzen des Energieimpulses weisen geringe Anfangsintensität auf und führen nicht zu irgendeinem feststellbaren akustischen Eingangssignal in den Empfängern. Die tieferen Frequenzen besitzen ebenfalls geringe Anfangsintensität und werden durch die Federkonstante des Gehäuses verzögert. Die Breite und Länge der einzelnen Schlitze in den Gruppen 40 und 50 können natürlich verändert werden. Es versteht sich jedoch, daß die Federkonstante und das Gewicht pro Längeneinheit von der Größe der Schlitze abhängen, so daß die Schlitzgröße in Beziehung zu der scheinbaren Schallgeschwindigkeit des Gehäuses steht. Obgleich sich natürlich die akustische Energie auch auf einem geradlinigen Weg längs des Gehäuses bewegt, dadurch, daß sie von einem Segment zu dem nächsten Segment überspringt, wird sie doch so stark durch die Übertragung zwischen den unterbrochenen Flächen geschwächt, daß sie vom Empfänger nicht mehr gemessen wird.

Die folgenden praktischen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die oben angegebene räumliche Umrißform.

Beispiel 1 (Fig. 1 bis 6)

Es wurde ein Proberohr aus Metall mit dem in den F i g. 1 bis 6 gezeigten Muster hergestellt, und die Schlitze wurden in das röhrenförmige Gehäuse mittels einer Schneidvorrichtung mit einem Durchmesser von 15,2 cm und einer Breite von 6,35 mm gefräst, wobei sich die Mittelachse der Schneidvorrichtung von der Mittelachse des röhrenförmigen Gehäuses in einem Abstand von 10,2 cm befand. Zwischen den Ebenen der Schlitzgruppen lag ein Abstand von 2,54 cm. Die Schlitzöffnungen entsprachen 17,5 % des Proberohres.

Das Material für das röhrenförmige Gehäuse bestand aus Stahl, der wärmebehandelt auf eine Streckgrenze von minimal 8750 kg/cm² gebracht worden

war. Der Außendurchmesser des Rohres betrug 92,1 mm, der Innendurchmesser 66,7 mm.

Die effektive Länge des Prüfgehäuses betrug 23,5 cm. Das Prüfgehäuse war den folgenden mechanischen Prüfungen unterworfen worden, ohne daß dabei Beschädigungen auftraten:

Zugbelastung 45,400 kg axiale Belastung

Druckbelastung 41,700 kg axiale Belastung

Biegebelastung 825 m · kg Biegemoment

Die Längenveränderung belief sich auf 0,0865 mm pro 1820 kg Belastung während der Zugbelastung. Das Gewicht des Gehäuses wurde auf 0,669 kg/cm der Länge berechnet. Die Federkonstante betrug 4,94 •IO⁶ kg/cm/cm.

Aus den obigen Parametern ergab sich die berechnete scheinbare Schallgeschwindigkeit zu 1540 m/Sek. Unter Anwendung eines 80-Kilohertz-Impulses der akustischen belief sich die tatsächlich gemessene scheinbare Schallgeschwindigkeit für das Prüfgehäuse auf etwa 1580 m/Sek.

Beispiel 2 (Fig. 1 bis 6)

In der oben beschriebenen Weise wurde ein weiteres Prüfgehäuse hergestellt, bei dem jedoch der Abstand zwischen den Ebenen der Schlitzgruppen auf 22,4 mm verkürzt wurde. In diesem Fall wurden die Schlitzöffnungen so ausgeführt, daß dieselben 20% des Probegehäuses ausmachten. Die effektive Länge des Gehäuses belief sich auf 27,4 cm.

Dieses Prüfgehäuse wurde einer Zugbelastung von 1820 kg unterworfen und veränderte seine Länge um 0,150 mm. Das Gewicht des Gehäuses wurde zu 0,620 kg/cm berechnet. Die Federkonstante betrug 3,23 - IO⁶ kg/cm/cm. Das Prüfgehäuse wurde ohne Beschädigung den folgenden mechanischen Prüfungen unterworfen:

Zugbelastung 41,700 kg axiale Belastung

Druckbelastung 41,700 kg axiale Belastung

Biegebelastung 688 m · kg Biegemoment

Aus den obigen Daten ergab sich die berechnete scheinbare Geschwindigkeit zu 1910 m/Sek.

Unter Anwenden eines 30-Kilohertz-ImpuIses der akustischen Energie belief sich die tatsächlich gemessene scheinbare Geschwindigkeit auf 1540 m/Sek.

Wie in den F i g. 7 und 8 gezeigt, kann ein akustischer Schwächungsabschnitt andere Muster aufweisen, ohne daß man hierbei den Rahmen der Erfindung verläßt So weist in der F i g. 7 z. B. das Muster (aus Gründen der Einfachheit in die Zeichnungsebene abgewickelt) eine Mehrzahl an länglichen, gleichgeformten, dreieckigen Schlitzen 61 auf, die in einer ersten Gruppe 60 so angeordnet sind, daß die Basisoberflächen 61a dieser dreieckigen Schlitze 61 in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zu der Mittelachse des Gehäuses verläuft. Die Scheitelpunkte 61 b der dreieckigen Schlitze 60 liegen den Basisoberflächen 61a gegenüber. Die endständigen Ecken der dreieckigen Schlitze 61, die an den Basisoberfiächenöla anliegen, sind längs des Umfanges des Gehäuses über kurze feste Abschnitte verbunden.

Benachbart zu der ersten Gruppe 60 der Schlitze 61 liegt eine Mehrzahl länglicher, dreieckig geformter Schlitze 71 in dem Gehäuse, die in einer zweiten

Gruppe 70 angeordnet ist und im Verhältnis zu der ersten Gruppe 60 auf dem Kopf steht. Die Schlitze 71 der zweiten Gruppe 70 besitzen ebenfalls Basisoberflächen 71a, die in einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse des Gehäuses angeordnet sind, wobei die Scheitelpunkte 71 b der Schlitze an einer Seite der Basisoberflächen 71a und in Richtung auf ein gegenüberliegendes Ende des Gehäuses Hegen. Die endständigen Ecken der dreieckförmigen Schlitze 71, die ίο an der Basis 71a anliegen, sind längs des Umfanges des Gehäuses über kurze Abschnitte 72 verbunden.

Jede der obigen Gruppen 60 und 70 ist ähnlich und weist drei einzelne Schlitze pro Gruppe auf. Die Schlitze einer Gruppe 60 sind abwechselnd derart angeordnet, daß die verbindenden festen Gehäuseteile 73 zwischen benachbarten geneigten Schlitzoberflächen benachbarter umgekehrter Schlitze in einem Winkel relativ zu den senkrechten Ebenen für die Schlitze liegen, jedoch versetzt sind, so daß sich keine kontinuierlichen Schraubengänge ergeben.

Das Paar der Schlitzgruppen 60 und 70 wiederholt sich in dem Muster über die Länge des Gehäuses. Zwischen jedem Paar der zueinander auf dem Kopf stehenden dreieckförmigen Schlitzgruppen 60 und 70 ist ein fester Ringabschnitt 74 des Gehäuses angeordnet. Die Schlitze der Gruppen 60 und 70, die an jeder Seite des ringförmigen Abschnitts 74 angeordnet sind, sind in entsprechender Weise zueinander ausgerichtet, so daß die kurzen Abschnitte 62 und 72 zwischen den Ecken benachbartter Schlitze zueinander ausgerichtet sind. Man sieht, daß bei dem in der F i g. 7 erläuterten Muster kein direkter, geradliniger metallischer Weg längs des Gehäuses verläuft, sondern dieser Weg vielmehr labyrinthartig ist.
In der F i g. 8 ist ein Muster gezeigt, das ähnlich dem Muster nach der F i g. 7 ist, wobei hier Gruppen 60 und 70 dreieckförrniger Schlitze zueinander auf dem Kopf stehend angeordnet sind und um den Umfang des Gehäuses wechselseitig anliegen, wobei schräge Verbindungsteile 73' aus festem Material gebildet werden. Jedoch sind, wie dargestellt, in diesem Muster die Gruppen 60 und 70 der Schlitze in entsprechender Weise relativ zueinander längsseitig über das Gehäuse ausgefluchtet. Auf diese Weise wird der Weg in Längsrichtung zu dem Gehäuse verlängert.
Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform bedingt einen relativ langen akustischen Weg und eine mittlere Federkonstante. An Stelle von Schlitzen oder dreieckigen Öffnungen nach der ersten Ausfuhrungsform finden hier ovale, rautenförmige, kreisförmige odre anders geformte Öffnungen unterschiedlicher Größen, Umrißformen und Abstände oder Konfigurationen derartiger Öffnungen Anwendung.
Die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform ist insbesondere in den F i g. 9 und 10 erläutert.

In der Fig. 9 handelt es sich um ein röhrenförmiges Gehäuse 140, das innere und äußere schraubenlinienförmige U-förmige Nuten 141 und 142 aufweist. Jede dieser Nuten ist schraubenlinienförmig in gleieher Weise ausgeführt und besitzt die gleiche Ganghöhe. Diese Nuten sind jedoch relativ zueinander bei Betrachten eines waagerechten Querschnittes, wie in der Fig. 10 gezeigt, um 180° zueinander verschoben. Die Tiefe der Nuten 141 und 142 ist dergestalt, daß sich das tiefste Teil jeder Nut über einen Mittelpunkt zwischen den inneren und äußeren Wänden des Gehäuses 140 erstreckt. In dieser Weise wird ein linearer Weg längsseits zu dem Gehäuse unterbrochen. Der

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Claims (1)

Abstand zwischen den inneren und äußeren Nuten längsseitig zu dem Gehäuse wird kleiner als eine Viertelwellenlänge der Hauptfrequenz der akustischen Energie ausgeführt. Die Ganghöhe der Nuten wird dergestalt gewählt, daß die sich in einem Schraubenweg fortpflanzende Energie durch das massive Teil, das die Nuten voneinander trennt, durch eine so bedingte zusätzliche Wellenlänge verzögert wird. Beispiel 3 (Fig. 9) Es wird ein Proberohr aus Metall hergestellt, das das in der Fig. 9 gezeigte Muster aufweist. Um die Geschwindigkeit zu berechnen, werden die folgenden Parameter angewandt: Rohrgröße Außendurchmesser 9,3 cm Innendurchmesser 7,05 er Material Stahl Die Nuten sind rechtsgängige Schraubenlinien mit 35,0 mm Steigung, wobei die innere Nut gegenüber der äußeren Nut bei Betrachten eines waagerechten Querschnittes im Abstand von 180° vorliegt. Die Abmessungen der Nuten sind wie folgt: Tiefe 6,35 mm30Breite an der äußeren Oberfläche 22,2 mmInnererNeigungswinkel der Nut150° von derSenkrechtengegenüber der35Mittelachsejeder Seiteder NutEffektive Länge 27,8 cm40Gewicht 5,22 kgGravitationskonstante 9,81 m/Sek.2Kompressionskraft 9100 kgLängenveränderung ΔI 0,193 mm 45 Die berechnete Geschwindigkeit beläuft sich auf 2620 m/Sek. Die tatsächlich gemessene Geschwindigkeit unter Anwenden eines 30-Kilohertz-Impulses der akustischen Energie beläuft sich auf 3650 m/Sek. In der Fi g. 11 ist die Form der äußeren Nut 142' des abgewandelten Gehäuses 140' vergrößert relativ zu der Nut 142 nach der F i g. 9 gezeigt, so daß dieselbe wesentlich breiter als die innere Nut 141 ist und rechtwinklige Form aufweist. Die Tiefe der Nuten 141 und 142' bleibt praktisch die gleiche, da die inneren und äußeren Nuten über dem Mittelpunkt zwischen den inneren und äußeren Wänden des Gehäuses überlappen. Zur weiteren Erläuterung dieser hier angegebenen Umrißform der Nuten wird auf das folgende Beispiel verwiesen. Beispiel 4 (Fig. 11) 65 Es wird ein Proberohr aus Metall hergestellt, das das in der Fig. 11 gezeigte Muster aufweist. Dieses Muster weist eine äußere Nut mit einer Breite von 15,2 mm auf, wobei die Seiten der Nut durch Radien von der Rohrachse entwickelt werden. Weitere Parameter sind die folgenden: S Effektive Länge 27,8 cm Gewicht 4,26 kg Gravitationskonstante 9,81 m/Sek.2 Kompressionskraft 9100 kg LängenveränderungΔI 0,196mm Die berechnete Geschwindigkeit beläuft sich auf 2880 m/Sek. Die tatsächlich gemessene Geschwindigkeit unter Anwenden eines 30-Kilohertz-Impulses der akustischen Energie beläuft sich auf 3270 m/Sek. Unter Bezugnahme auf die Fi g. 12 ist eine weitere Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 6 erläutert. Der akustische Schwächungsabschnitt 31 bleibt jedoch der gleiche an dem Ende des Gehäuses, und das Gehäuse weist einen verringerten Durchmesser auf, wodurch sich eine Nabe 35' für das Übertragungssystem 35 ergibt. Man sieht ohne weiteres, daß die Anordnung der Übertragungssysteme in dieser Weise leicht durch den einschlägigen Fachmann ausgeführt werden kann. Aus den obigen Angaben ergibt sich ohne weiteres, wie eine akustische Untersuchungsvorrichtung hergestellt werden kann, dessen Gehäuse so vorgesehen ist, daß praktisch einheitliche längsseitige Wege ausgeschaltet werden, wodurch die unmittelbare Übertragung feststellbarer akustischer Energie längs dieser Wege unterdrückt wird. Es ist zu beachten, daß die Ausführungsbeispiele des erläuterten erfindungsgemäßen Gehäuses einen Bereich der scheinbaren Geschwindigkeit von etwa 1520 bis 3650 m/Sek. aufweisen können. Gegebenenfalls können auch kleinere oder größere Werte für die scheinbaren Geschwindigkeitswerte erhalten werden, und somit dienen diese Ausführungsbeispiele lediglich der Erläuterung. Für offene Bohrlöcher sind die Anordnungen mit geringerer scheinbarer Geschwindigkeit bevorzugt, wodurch sich ein breiter Betriebsbereich ergibt. In verrohrten Bohrlöchern können die Anordnungen mit größerer scheinbarer Geschwindigkeit zweckmäßig sein, da die Stahlverrohrung bekanntlich eine Geschwindigkeit von 5150 m/Sek. aufweist. In den hier offenbarten Anordnungen sind die Übertragungssysteme so angeordnet, daß dieselben frei gegenüber den Flüssigkeiten in dem Bohrloch vorliegen. Gegebenenfalls kann jedoch das Gehäuse in Gummi oder einer anderen Masse geringer Geschwindigkeit eingeschlossen werden, wodurch sich ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse ergibt. Bei einer derartigen Anordnung würde das Innere des flüssigkeitsdichten Gehäuses für die Schallübertragung mit öl gefüllt sein. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur geophysikalischen Bohrlochuntersuchung, die einen langgestreckten, rohrförmigen Träger aufweist, an welchem wenigstens zwei akustische Schwingungsübertragungssysteme (Empfänger und/oder Sender) in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind