DE1267635B

DE1267635B - Akustisches Bohrlochmessgeraet

Info

Publication number: DE1267635B
Application number: DEP1267635A
Authority: DE
Inventors: Louis Henry
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1964-04-03
Filing date: 1965-03-15
Publication date: 1968-05-09
Also published as: GB1096590A; NL6918058A; NL6504189A; AT263398B; US3406776A; DE1477693A1; ES310667A1; FR1401258A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

E21b

Deutsche KI.: 5a- 47/00

Nummer: 1267 635

Aktenzeichen: P 12 67 635.6-24

Anmeldetag: 15. März 1965

Auslegetag: 9. Mai 1968

Die Erfindung betrifft ein akustisches Bohrlochmeßgerät zur Feststellung des Wertes physikalischer Größen in Bodenschichten, welche von einem mit Bohrspülung gefüllten Bohrloch durchteuft sind in Abhängigkeit von der Tiefe in diesem Bohrloch. Dabei wird ein Bündel von Longitudinalwellen, dessen halber Öffnungswinkel verhältnismäßig klein ist, in die Flüssigkeit in der Nähe der Wandung des Bohrloches ausgesandt. Insbesondere sollen Brüche ermittelt werden, die in den harten Bodenschichten vorhanden sind.

In der USA.-Patentschrift 2 825 044 wird ein Verfahren beschrieben, nach welchem dann die reflektierten Wellen aufgefangen und ihre Laufzeit gemessen wird, wodurch man eine Information über die Laufzeit in den Bodenschichten erhält.

Bekanntlich können harte Geländeschichten, z. B. aus Kalkstein, nur Öl liefern, wenn sie Brüche aufweisen. Es ist daher von größter Bedeutung, das Vorhandensein oder Fehlen von natürlichen Brüchen in derartigen Schichten feststellen zu können, um zu wissen, ob die in ihnen enthaltenen Kohlenwasserstoffe bequem gewonnen werden können oder nicht.

Man weiß, daß eine Schallwelle, welche sich in einem Brüche aufweisenden Gestein fortpflanzt, eine besonders große Dämpfung durch diese Brüche erfährt. Ganz allgemein steht die Messung des Amplitudenpegels der von einem Empfänger empfangenen akustischen Energie einer bestimmten Wellenlänge in unmittelbarer Beziehung mit der Breite, der Zahl und der Lage der Brüche, welche in einem festen, zwischen einem Sender und dem Empfänger liegenden Medium vorhanden sind. Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Feststellung der Brüche in ein Bohrloch umgebenden harten Geländeschichten gemäß diesem Prinzip ausgeführt worden, und es wurden durch Versuche Fluchtlinientafeln in Funktion der benutzten Schallwellenlänge aufgestellt. Mittels dieser Fluchtlinientafeln kann man angenähert aus der Amplitude des empfangenen Signals die Gesamtbreite der auf dem untersuchten akustischen Weg liegenden Brüche ermitteln.

Diese verschiedenen Vorrichtungen haben in zahlreichen Fällen interessante Ergebnisse geliefert. Sie weisen jedoch eine besonders störende Beschränkung auf, welche darin besteht, daß nur Brüche verhältnismäßig großer Breite festgestellt werden können. Diese Beschränkung rührt insbesondere von der Art des Haupttyps der in den Geländeschichten durch die gewöhnlich in Bohrlöchern benutzten, nach allen Richtungen strahlenden Sender erzeugten Schallwellen her. Diese Wellen sind nämlich Longitudinal-Akustisches Bohrlochmeßgerät

Anmelder:

Societe de Prospection Electrique Schlumberger, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt, 4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Louis Henry, Chevilly-Larue, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 2. April 1964 (969 576)

wellen, welche für Brüche verhältnismäßig wenig empfindlich sind.
Bekanntlich pflanzt sich ein anderer Wellentyp in den Geländeschichten neben den Longitudinalwellen fort, nämlich die Transversal wellen. Da sich Transversalwellen nur in festen Körpern fortpflanzen können, werden diese Wellen durch eine auf ihrem Weg liegende, selbst schmale Flüssigkeitsschicht besonders kräftig gedämpft. Es erscheint daher a priori zweckmäßig, zur Feststellung der Brüche nur Transversalwellen zu verwenden.

Bisher haben die angewandten Einrichtungen nicht ermöglicht, eine Wahl zwischen den Longitudinalwellen und Transversalwellen im Augenblick ihrer Erzeugung in den Geländeschichten vorzunehmen. Man hat dagegen versucht, aus den komplexen in einem Empfänger durch die verschiedenen empfangenen Schallwellen erzeugten elektrischen Signalen die insbesondere durch die Transversalwellen erzeugten Signale auszuwählen. Hierfür wurde die Tatsache ausgenutzt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Transversalwellen in hartem Gestein, in welchem Brüche auftreten können, etwa das 0,6fache der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Longitudinalwellen beträgt.

So ist z. B. in dem C. Goodman erteilten USA.-Patent 2 943 694 vorgesehen, gleichzeitig Longitudinalwellen und Transversalwellen mittels eines Senders auszusenden, der in einem Anlagekörper in Berührung mit der Wandung des Bohrloches angeordnet ist. Zur Trennung der gleichzeitig in einem Empfän-

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ger durch Longitudinalwellen und Transversalwellen Weg bestimmter Länge in diesen Bodenschichten erzeugten elektrischen Signale ist dabei die Ausbil- werden diese Wellen anschließend aufgefangen, so dung so getroffen, daß die Länge des von den WeI- daß sie eine Angabe hinsichtlich des etwaigen Vorlen durchlaufenen Weges zwischen dem Sender und handenseins von Brüchen auf diesem Weg liefern, dem Empfänger einen besonderen bestimmten Wert 5 Es ergibt sich so ein doppelter Vorteil bei der hat, welcher zwischen diesen Signalen eine Phasen- Feststellung von Brüchen. Es ist zunächst zu bemerverschiebung von 90° erzeugt. Mittels eines Phasen- ken, daß aus Platzgründen der in das Bohrloch her- und Amplitudendetektors ist es dann theoretisch be- abzulassende Übertrager nur ein schmales Schallquem, die beiden Signaltypen zu trennen. Infolge der wellenbündel erzeugt, was die Wahl einer verhältnisbedeutenden Änderungen der Fortpflanzungsge- io mäßig hohen Frequenz von wenigstens etwa 100 kHz schwindigkeiten der beiden Wellentypen in den ver- bedingt. Deshalb ist die in den Bodenschichten erschiedenen angetroffenen Schichten hat jedoch dieses zeugte Wellenlänge klein, was den Einfluß eines Bru-Verfahren niemals verwirktlicht werden können. ches bestimmter Breite auf die Schwächung dieser

Es ist noch eine andere Anordnung vorgeschlagen Welle vergrößert. Der zweite Vorteil liegt darin, daß worden. Bei Sichtbarmachung der von einem akusti- 15 die relative Amplitude der in den Bodenschichten ersehen Empfänger gelieferten Signale auf dem Schirm zeugten Transversalwellen sehr groß gegenüber der einer Kathodenstrahlröhre beobachtet man bei der der Longitudinalwellen ist, so daß man beim Emp-Aussendung von Impulsen einen ersten Longitudinal- fang über ein elektrisches Signal verfügt, dessen wellenzug und — eine gewisse Zahl von Mikro- Amplitude durch das Vorhandensein eines Bruches Sekunden nach dem Beginn der Ankunft dieses ersten 20 besonders stark beeinflußt wird. Wellenzuges — einen Transversalwellenzug. Bei Feh- Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme

len von Brüchen stellt man fest, daß der zweite auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Wellenzug eine erheblich größere Amplitude als der Fig. 1 zeigt eine in ein Bohrloch herabgelassene

erste besitzt. Bei Unterbrechung des akustischen erfindungsgemäße Sonde zur Feststellung von Weges durch schmale Brüche wird z. B. der erste 25 Brüchen;

Wellenzug um 10% geschwächt, während der zweite Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Meßanlagekör-

Wellenzug eine Schwächung von 80% erfährt. Diese pers einer derartigen Sonde;

Anordnung gestattet also, die Schwächung der Trans- F i g. 3 ist eine Vorderansicht des Meßanlagekör-

versalwellen zu messen und eine Angabe über die pers;

Zahl und die Größe selbst der kleinen Brüche zu er- 30 F i g. 4 ist der Stromlaufplan der in dem Meßgerät halten, die auf dem Weg zwischen dem Sender und vorgesehenen Schaltkreise als Blockbild; dem Empfänger liegen. Im Laboratorium liefert die Fig. 5 stellt die an verschiedenen Stellen der

Anordnung gute Ergebnisse, ihre industrielle Aus- Schaltung der Fig.4 abgenommenen elektrischen wertung in Schächten ist jedoch ziemlich langwierig Signale dar.

und unbequem. 35 In Fig. 1 stellt 10 das mit Flüssigkeit gefüllte

Gegenstand der Erfindung ist ein akustisches Bohr- Bohrloch dar, in welches ein Meßgerät 12 zur Festlochmeßgerät zur Feststellung von Brüchen, bei dem stellung der in den Wänden 14 des Bohrloches 10 elektrische Signale aufgefangen und ausgewertet wer- vorhandenen Brüche herabgelassen ist. Das Meßgerät den, die einzig und allein durch Transversalwellen 12 ist mit der Erdoberfläche durch ein elektrisches erzeugt werden, und zwar bei beliebigen Änderungen 40 Tragkabel 16 verbunden; es umfaßt einen ersten Teil der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Schallwel- 18, welcher Teile zur Steuerung der Verstellung des len in den durchlaufenen Gesteinen. Meßanlagekörpers 22 und des Stützarms 24 enthält,

Das Bohrlochmeßgerät gemäß der Erfindung ist an welchem ein Hilfsanlagekörper 26 befestigt ist. besonders einfach ausgebildet, und seine Anwendung Ein zweiter Teil 20 enthält die elektronischen Schaltist sehr bequem. In den Geländeschichten werden 45 kreise gemäß F i g. 4. Dieser Teil 20 ist durch Ver-Transversalwellen erzeugt, diese in ein elektrisches bindungen 11,13 und 15 mit der Spannungsquelle 17 Signal umgewandelt, und die Amplitude der relativen und den Galvanometern 19 und 21 verbunden. F i g. 2 Schwächung dieses Signals wird bestimmt. zeigt den gegen die Wand 14 gelegten Meßanlage-

Das erfindungsgemäße akustische Bohrlochmeßge- körper 22. Dieser wird durch einen Block 28 aus rät mit einem durch elastische Teile gegen die Bohr- 50 einem heterogenen Material gebildet, welches aus in lochwand gedrückten Anlagekörper und wenigstens ein Gießharz eingebetteten Bleikugeln kleinen Durchzwei piezoelektrischen Übertragern ist gekennzeich- messers besteht. In dem Block 28 sind vier zylinnet durch zwei im Anlagekörper vorgesehene Boh- drische Ausnehmungen ausgearbeitet (s. F i g. 3), rangen zur Aufnahme eines Sendeübertragers und welche paarweise einander zugeordnet sind, nämlich eines Empfangsübertragers, wobei die Bohrung zur 55 30-32 einerseits und 34-36 andererseits. Die Ausneh-Ausbildung von Transversalwellen symmetrisch in mungen 30 und 32 sind in dem Block 28 so ausgebileinem Winkel von 25 bis 45° zur Normalen auf die det, daß sie in bezug auf die Außenfläche des An-Bohrlochwand angeordnet sind. Dadurch wird ein lagekörpers 22 zur waagerechten Mittelebene symme-Bündel von Longitudinalschallwellen, dessen halber trisch angeordnete Einfallwinkel von etwa 35° bilöffnungswinkel verhältnismäßig klein ist, in der Flüs- 60 den. Die in einer waagerechten Ebene angeordneten sigkeit ausgesandt, wobei der Einfallwinkel des Bün- Ausnehmungen 34 und 36 sind zur lotrechten Mitteldels in bezug auf die Wand des Bohrloches so ge- ebene symmetrisch angeordnet. In jeder Ausnehmung wählt ist, daß einerseits ein Minimum von Longitu- ist eine piezoelektrische Platte aus Bariumtitanat bedinalwellen in den Bodenschichten übertragen wird festigt. Die in den Ausnehmungen 30 und 32 ange- und daß andererseits ein Maximum von Transversal- 65 ordneten keramischen Körper 38 bzw. 40 bilden wellen in diesen Bodenschichten erzeugt und außer- «_;> Übertrager für die Aussendung bzw. den Empfang dem in eine annähernd zu dieser Wand parallele [F' von Schallwellen; ihr Durchmesser beträgt 3 cm. Die Fortpflanzungsrichtung gebrochen wird. Nach einem " Vorder- und Rückseiten eines jeden Übertragers 38

und 40 sind mit Leitungen 42, 44, 46 und 48 verbunden. Der Anlagekörper 22 ist ferner mit Kupplungsscharnieren 50 und 52 versehen.

Gemäß F i g. 4 liefert eine Zeitbasis 60 kurze Impulse, deren Folgefrequenz 500 Hz beträgt. Der Ausgang der Zeitbasis 60 ist an die Steuerelektrode eines ausgelösten Leistungsoszillators 62 gelegt, welcher ein Signal von 300 kHz während etwa 25 Mikrosekunden liefert. Der Ausgang des Oszillators 62 ist an den Sendeübertrager 38, durch die Verbindung 42 angelegt. Ferner ist der Ausgang der Zeitbasis 60 an die Auslöseelektrode 64 eines monostabilen Multivibrators 66 angelegt, welcher mit einer linearen Steuerung der Ausgangsimpulsdauer arbeitet und eine Elektrode 68 zu deren Steuerung der Dauer aufweist. Der Ausgang des Empfangsübertragers 40 ist durch die Verbindung 48 mit dem Eingang eines Vorverstärkers 70 verbunden, dessen Ausgang an den Eingang eines Verstärkers 72 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor mit einer Elektrode 74 zur Steuerung der Verstärkung angelegt ist, wobei diese Steuerung des Verstärkungsfaktors angenähert logarithmisch ist. Der Ausgang des Verstärkers 72 ist an eine Detektorstufe 76 angelegt, deren Ausgang mit dem Eingang eines Tiefpasses 78 und einer Schwellenschaltung 79 verbunden ist, auf welche eine Formungsstufe 80 zur Erzeugung eines kalibrierten Impulses folgt. Der Ausgang der Formungsstufe 80 ist an den Eingang von zwei logischen UND-Schaltungen 82 und 84 gelegt, welche außerdem die Ausgangsgrößen 1 und T des monostabilen Multivibrators 66 empfangen. Die Ausgänge der UND-Schaltungen 82 und 84 sind an die Steuerelektroden 85 und 87 zur Schließung von zwei Schaltern 86 bzw. 88 angelegt. Der Schalter 86 kann eine Verbindung zwischen einem Generator 90 zur Erzeugung eines negativen kalibrierten Stromes — / und einem Speicherkondensator 92 herstellen. Der Schalter 88 kann eine Verbindung zwischen einem Generator 94 zur Erzeugung eines positiven kalibrierten Stromes +/ und dem Kondensator 92 herstellen. Der Speicherkondensator 92 ist durch eine Verbindung 93 mit der Elektrode 68 zur Steuerung der Dauer des monostabilen Multivibrators 66 verbunden. Der Kondensator 92 ist außerdem durch die Verbindung 13 mit dem Eingang des Meßgeräts 19 verbunden. Die Zeitkonstante der Entladung des Kondensators 92 beträgt mehrere hundert Perioden der Zeitbasis 60.

Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 66 ist ferner mit der Auslöseelektrode eines elektronischen Ablesetors 98 verbunden, dessen Ausgang mit der Elektrode 100 zur Steuerung der Inbetriebsetzung eines Amplitudenkomparators 102 verbunden ist. Die beiden Eingänge 104 und 106 des Komparators 102 sind mit dem Ausgang des Tiefpasses 78 bzw. mit einer Quelle 108 zur Lieferung einer Bezugsamplitude verbunden. Der Ausgang des Amplitudenkomparators 102 ist an den Eingang eines linearen Verstärkers 110 angelegt, dessen Ausgang mit einem Speicherkondensator 112 verbunden ist, welcher seinerseits mit der Elektrode 74 zur Steuerung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 72 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor verbunden ist. Der Ausgang des Speicherkondensators 112 ist außerdem durch die Verbindung 15 mit dem Eingang des zweiten Meßgeräts 21 verbunden. Die Zeitkonstante des Speicherkondensators 112 beträgt höchstens einige Zehnerperioden der Zeitbasis 60.

Wenn der piezoelektrische Übertrager 38 in dem in dem Bohrloch 10 befindlichen Schlamm eine Longitudinalschallwelle aussendet, bildet diese Welle ein Ultraschallbündel, dessen halber Öffnungswinkel durch das Verhältnis der ausgesandten Wellenlänge zu dem Durchmesser (3 cm) des Übertragers 38 bestimmt ist. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Schlamm etwa 1500 m beträgt, beträgt der halbe Öffnungswinkel des von dem Übertrager 38 mit 300 kHz ausgesandten Schallbündels ziemlich genau 10°. Da die Schräglage der in dem Anlagekörper 22 ausgebildeten Bohrung 30 etwa 35° in bezug auf die Oberfläche desselben beträgt, liegen die verschiedenen Einfallwinkel der von dem Ubertrager 38 auf die Wand 14 des Bohrlochs 10 ausgesandten Schallwellen zwischen 25 und 45°.

Bekanntlich betragen die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Longitudinalwellen in hartem Gestein, in welchem Brüche auftreten können, im allgemeinen 5000 m/s + 20%, während die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Transversalwellen in den gleichen Bodenschichten 3000 m/s ± 20 % betragen. Unter diesen Bedingungen liegt der Einfallwinkel des Ultraschallbündels, welcher eine Totalreflexion der Longitudinalwellen an der Wand des Bohrlochs erzeugt, zwischen 15 und 20°, während der Einfallwinkel des Bündels, welcher in den Bodenschichten eine parallel zu der Wand des Bohrlochs gebrochene Transversalwelle erzeugt, zwischen 25 und 45° liegt.

Infolge seines mittleren Einfallwinkels von 35° und seines halben öffnungswinkels von 10° kann daher das von dem Übertrager 38 ausgesandte Ultraschallbündel theoretisch in den Bodenschichten nur Transversalwellen erzeugen. In der Praxis sind jedoch verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, welche die zu erwartende Totalreflexion der Longitudinalwellen unvollkommen machen. Von diesen Faktoren sind insbesondere die Rauhigkeit der Wand und die Änderungen des Einfallwinkels infolge örtlicher Änderungen des Durchmessers des Bohrlochs zu erwähnen. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß das Amplitudenverhältnis der von dem Übertrager 38 erzeugten Longitudinalwellen und Transversalwellen höchstens einige Prozent beträgt.

Da der Übertrager 38 in dem durch ein heterogenes Material (in Araldit eingebettete kleine Bleikugeln) gebildeten Block 28 befestigt ist, wird die durch die Schwingung des Übertragers erzeugte rückwärtige Welle schnell absorbiert. Das gleiche gilt für die an der Wand 14 des Bohrlochs reflektierten Longitudinalwellen. Es kann daher angenommen werden, daß die einzigen Wellen, welche den in der Ausnehmung 32 angeordneten Übertrager 40 erreichen, die Transversalwellen sind, welche sich in der Bodenschicht fortgepflanzt haben. An der Stelle der Ausnehmung 32 tritt eine gewisse Menge dieser Wellen aus der Bodenschicht aus, verwandelt sich in dem Schlamm des Bohrlochs 10 in Longitudinalwellen und trifft auf den Übertrager 40. Da die Ausnehmung 32 in bezug auf die Wand 14 einen Anstellwinkel von 35° hat, wird ein Signal mit der größten Amplitude aufgefangen. Die Länge des von den Transversalwellen in den Bodenschichten durchlaufenen Weges beträgt etwa 10 cm. Da dieser Weg zehn Wellenlängen gleichwertig ist und da das logarithmische Dekrement der Schallenergie in Bodenschichten der untersuchten Art größenordnungsmäßig 0,5 beträgt, beträgt die Schwächung bei Fehlen von Brüchen etwa

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150. Das an den Klemmen des Übertragers 40 durch dene und von dem Galvanometer 19 gemessene Spaneinen Teil dieser Wellen erzeugte Signal wird durch nung proportional zu der Fortpflanzungszeit der den Vorverstärker 70 vor seiner Anlegung an den Schallwellen zwischen den Übertragern 38 und 40. Verstärker 72 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor Der untere Teil des Schaltbildes der F i g. 4 bildet

verstärkt. Wenn ein Bruch F auf dem Weg der von 5 die Vorrichtung zur Messung der Schwächung der dem Übertrager 40 empfangenen Schallwelle liegt, Transversalwellen während ihres Weges in den wird die Amplitude derselben sehr erheblich verrin- Bodenschichten. Das von dem Übertrager 40 erzeugte gert. Das erfindungsgemäße Meßgerät bezweckt die elektrische Signal wird in den Stufen 70 und 72 verRegistrierung dieser Schwächungen. Zu einem gege- stärkt, bei 76 gleichgerichtet und bei 78 gefiltert. An benen Zeitpunkt kann daher, wenn das Signal an den io dem Ausgang des Tiefpasses 78 erscheint ein Hüll-Klemmen des Übertragers 40 Null oder sehr schwach kurvensignal 578 mit einer beträchtlichen Amplitude ist, geschlossen werden, daß einer oder mehrere und einer Dauer von 25 MikroSekunden. Die Gesamt-Brüche großer Breite zwischen den Übertragern 38 heit der Schaltungen 72, 76, 78, des Amplitudenkom- und 40 liegen. Da dies nur in hartem Gestein der Fall parators 102, des Verstärkers 110 und des Speichersein kann, ist es unerläßlich, dies so zu prüfen, daß 15 kondensator 112 bildet eine Gegenkopplungsschleife, kein Zweifel an der Qualität der von dem Apparat welche den Verstärkungsfaktor des Verstärkers mit gelieferten Informationen möglich ist. Die Gesamt- veränderlicher Verstärkung 72 so verändert, daß die heit dieser Vorrichtungen ist in Fig. 4 dargestellt. mittlere Amplitude des an den Eingang 104 des

Der obere Teil des Blockschaltbildes der F i g. 4 Amplitudenkomparators 102 angelegten Hüllkurvenbildet eine Vorrichtung, welche in jedem Augenblick 20 signals 578 ständig gleich einem durch die Quelle die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Transversal- 108 bestimmten Bezugswert ist. Bei Fehlen eines wellen in den untersuchten Bodenschichten mißt. Hüllkurvensignals bei 104 ist der Amplitudenkom-Hierfür wird der monostabile Multivibrator 66 mit parator 102 normalerweise gesperrt. Das Ablesetor linearer Steuerung durch den von der Zeitbasis 60 98, welches den Komparator 102 in Betrieb setzt, ausgesandten Auslöseimpuls 560 in Betrieb gesetzt. 25 erzeugt einen Impuls 598 von 10 Mikrosekunden Die Dauer des von dem Multivibrator 66 gelieferten Dauer, welcher an der Anstiegsflanke des Impulses Impulses 566-1 wird durch die Amplitude der an 584 anläuft. Der Ablesetorimpuls 566-1 ist mit dem seine Steuerelektrode 68 angelegten Spannung be- Signal 572 synchron. Der Ausgang des Komparators stimmt. Das von dem Empfangsübertrager 40 gelie- 102 ist also ein Fehlersignal, welches gleich der ferte Signal wird in den Verstärkern 70 und 72 ver- 30 Differenz zwischen der mittleren Amplitude des Hüllstärkt, in der Detektorstufe 76 gleichgerichtet und in kurvensignals während der Dauer des Ablesetorder Stufe 80 auf die gewünschte Form gebracht. Ein impulses 598 und der Amplitude der Bezugsquelle Impuls 580 mit der Dauer von etwa 5Mikrosekun- 108 ist. Dieses Fehlersignal wird bei 110 verstärkt den wird an einen der Eingänge der Koinzidenzschal- und bei 112 gespeichert. Da die Steuerspannung zur tungen 82 und 84 angelegt, während die komplemen- 35 Steuerung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers tären Signale 1 und T des Multivibrators 66 auf den 72 eine etwa logarithmische Wirkung hat, regelt die anderen Eingang dieser Schaltungen 82 und 84 über- obige Gegenkopplungsschleife die Amplitude der bei tragen werden. Man erhält am Ausgang der Koinzi- 74 vorhandenen Spannung auf einen Wert, welcher denzschaltungen 82 und 84 zwei Impulse 582 und gleich dem Logarithmus der durch die zwischen dem 584. Die Anstiegsflanke des Impulses 584 ist zu der 40 Sender 38 und dem Empfänger 40 vorhandenen Abfallflanke des Impulses 582 synchron, und die Brüche erzeugten Schwächung ist. Summe der Dauern dieser beiden Impulse ist gleich Unter der Einwirkung der bei 74 angelegten Span-

der Dauer des Impulses 580. Das Vorhandensein nung kann sich bei dem betrachteten Beispiel die eines Impulses 582 an der Elektrode 85 zur Schlie- Verstärkung des Verstärkers 72 zwischen 1 und 1000 ßung des Schalters 86 gestattet dem Generator 90, 45 ändern. Man könnte daher denken, daß unter diesen dem Speicherkondensator 92 während der ganzen Bedingungen die Gefahr besteht, daß die Signale Dauer dieses Impulses 582 einen konstanten negati- schwacher Amplitude, welche in dem Verstärker 40 ven Strom —/ zu liefern. Ebenso ermöglicht das Vor- durch die Longitudinalwellen erzeugt werden, welche handensein des Impulses 584 an der Elektrode 87 infolge der unvollkommenen Totalreflexion in die zur Schließung des Schalters 88 dem Generator 94, 50 Bodenschichten eingetreten sind, ein unzeitiges dem Speicherkondensator 92 einen konstanten posi- Arbeiten der Vorrichtung bewirken. Dies kann sogar tiven Strom +/zu liefern. Am Ende des Impulses um so wahrscheinlicher erscheinen, als in der Praxis 580 hat sich die Spannung an den Klemmen des die in dem Gestein vorhandenen Brüche nicht als Kondensators 92 proportional zu dem Unterschied einfache Wasserschichten angesehen werden können, der Dauern der Impulse 582 und 584 verändert. Da 55 Diese Brüche liegen nämlich häufig schräg zu dem der Speicherkondensator 92 durch eine Verbindung Schallweg. Ferner kann man sich vorstellen, daß 93 mit der Elektrode 68 zur Steuerung der Dauer des stellenweise Sandkörner mit geringer Gesamtfläche, Multivibrators 66 verbunden ist, ist eine Gegenkopp- welche jedoch bei der Übertragung der Transversallungsschleife mit integrierender Wirkung gebildet, wellen eine verhältnismäßig größere Rolle spielen als welche von einem Arbeitsspiel zum anderen die An- 60 bei der Übertragung der Longitudinalwellen, diese Stiegsflanke des Impulses 566-1 allmählich so steuert, Brüche ausfüllen. Aus diesem Grund ist im allgedaß sie mit dem mittleren Zeitpunkt des Impulses meinen das Verhältnis zwischen den praktischen 580 zusammenfällt. Die Dauer des Impulses 566-1 Schwächungskoeffizienten der Transversalwellen und ist daher gleich der Fortpflanzungszeit der Schall- der Longitudinalwellen weniger groß, als man nach wellen zwischen dem Sendeübertrager 38 und dem 65 der Theorie erhoffen könnte. Die Erfahrung zeigt je-Empfangsübertrager 40. Da der Multivibrator 66 doch, daß ein bestimmter Bruch stets für die Transeine lineare Steuerung der Dauer besitzt, ist die an versalwellen eine Schwächung erzeugt, welche wenigden Klemmen des Speicherkondensators 92 vorhan- stens das Dreifache der der Longitudinalwellen be-

Claims

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trägt. Die Erfahrung zeigt ferner, daß bei einer erfin- nutzbaren Empfangssignale festgelegten Verhältnisse

dungsgemäßen Vorrichtung das Amplitudenverhält- von 1000 besonders bequem. Die gleichzeitige Regi-

nis der in einer Bodenschicht erzeugten Longitudinal- strierung der Laufzeit gestattet die Prüfung der

wellen und Transversalwellen etwa 2% beträgt. Die Qualität der obigen Information und gleichzeitig die

Amplitude eines gegebenenfalls am Ausgang der 5 Abschätzung der Härte oder der Kompaktheit der

Detektorstufe 76 durch eine bei 40 empfangene Lon- Bodenschichten und somit die Wahrscheinlichkeit

gitudinalwelle erzeugten Störimpulses ist daher stets der Bildung von etwaigen Brüchen in ihnen,

klein gegenüber der Bezugsamplitude, durch welche Die obenerwähnten Übertrager 38 und 40 sind in

an dem gleichen Ausgang die Hüllkurve des durch einer lotrechten Ebene angeordnet. Die bei 19 ge-

die Transversalwellen erzeugten Impulses gesteuert io lieferten Informationen betreffen daher die Dauer

wird. Die Schwellenschaltung 79 hat die Aufgabe, des Durchlaufs des lotrechten Weges der Transversal-

die an dem Ausgang der Detektorstufe 76 auftreten- wellen, während die bei 21 gelieferten Informationen

den elektrischen Signale nach ihrer Amplitude aus- hauptsächlich die durch die auf diesem Weg ange-

zuwählen und so eine Auslösung des Arbeitens der troffenen waagerechten Brüche erzeugte Schwächung

Formungsstufe 80 durch die durch den Empfang der 15 betreffen. Versuchsmessungen haben gezeigt, daß die

Longitudinalwellen erzeugten Störsignale zu verhin- durch einen Bruch bestimmter Breite an einer Trans-

dern. Da die von den Galvanometern 19 und 21 ge- versalwelle verursachten Schwächungen 12 bzw. 8

messenen Spannungen von Quellen herrühren, welche bzw. 2 db betragen, je nachdem, ob der Bruch mit

durch den von der Formungsstufe 80 gelieferten dem Weg der Welle einen Winkel von 90°, 45° oder

Impuls 580 gesteuert werden, und da dieser Impuls ao 30° bildet. Es ist daher klar, daß ein zweites Über-

nur durch den Empfang einer Transversalwelle aus- tragerpaar in einer lotrechten Ebene, z. B. in den

gelöst werden kann, entsprechen die Angaben der Ausnehmungen34 und 36 (s. Fig. 3), vorgesehen

Galvanometer 19 und 21 in jedem Fall der Laufzeit werden muß. Auf die Arbeitsweise dieser Übertrager

bzw. der Schwächung der Transversalwellen. braucht nicht mehr eingegangen zu werden. Sie

Ferner ist zu bemerken, daß die Verwendung des 25 arbeiten vorzugsweise mit einer Frequenz, welche

Speicherkondensators 92, dessen Zeitkonstante meh- von der der Übertrager 38 und 40 verschieden ist.

rere hundert Sendezyklen beträgt, der erfindungsge- Um nicht die zugehörige elektronische Ausrüstung

mäßen Vorrichtung ermöglicht, die richtige Auswahl zu beschweren, kann eine automatische oder auch

unter den verschiedenen von dem Empfangsüber- von Hand betätigte Umschaltvorrichtung benutzt

trager 40 empfangenen Signalen zu treffen. Die Auf- 30 werden.

rechterhaltung einer zu der Laufzeit proportionalen Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. Spannung an dem Kondensator 92 bestimmt nämlich So kann z. B. jede der oben beschriebenen Steuerden möglichen Augenblick des Auftretens des Ab- schleifen anders ausgebildet werden, wenn nur ihre lesetorimpulses 598. Unter diesen Bedingungen ge- Wirkung beibehalten bleibt. So wird der Speicherstattet jedoch die plötzliche Verringerung der Ampli- 35 kondensator 92 der Steuerschleife für die Berechtude des vorher N Mikrosekunden nach der Aus- nung der Laufzeit ganz allgemein von der Schaltung sendung empfangenen Empfangssignals gegebenen- zum Vergleich des Augenblicks des Auftretens der falls früher empfangenen Signalen mit erheblicher Abfallflanke des Impulses 566-1 zu dem mittleren Amplitude nicht, ein unzeitiges Arbeiten der Schal- Zeitpunkt des Impulses 580 gespeist,
tungen zur Berechnung der Schwächung zu bewirken. 40 Die Frequenz der ausgesandten Signale und die Andererseits ändert sich die Ladung des Speicher- Dauer eines Arbeitszyklus können natürlich abgekondensators 112, welcher eine Zeitkonstante hat, ändert werden. Die Notwendigkeit der Herstellung welche höchstens einige Zehner-Sendezyklen beträgt, eines schmalen Ultraschallwellenbündels mit Überschnell so, daß die Verstärkung des Verstärkers 72 tragern annehmbarer Größe führt dazu, nur über dem Ausgangssignal des Tiefpasses 78 seinen Bezugs- 45 100 kHz liegende Frequenzen zu benutzen. Andererwert wiedergibt. Das Galvanometer 21 zeigt dann seits ergibt die Notwendigkeit der Trennung des eine plötzliche Spannungserhöhung an, welche ein- Sendeübertragers und des Empfangsübertragers deutig einen Bruch kennzeichnet, da ja das Ablese- durch wenigstens mehrere Zentimeter absorbierendes tor 98 infolge der Trägheit seiner Steuerung trotzdem Material eine obere Grenze der Sendefrequenz inin dem genauen Augenblick des Empfangs des Si- 50 folge der unzulässigen Schwächungen, welche auf gnals geringer Amplitude gearbeitet hat. Wenn da- dem akustischen Weg selbst bei Fehlen von Brüchen gegen das Empfangssignal aus dem einen oder dem entstehen. Diese Grenze beträgt 700 kHz. Für die anderen Grund vollständig verschwindet, kann kein Dauer des ausgesandten Impulses sind ganz allge-Impuls580 oder 598 erzeugt werden, und die mein etwa zehn Perioden des Hochfrequenzsignals Schleife des Steuerkreises zur Berechnung der Schwä- 55 ausreichend.

chung ist offen. Unter diesen Bedingungen entlädt Die Folgefrequenz der Sendezyklen wird durch die sich der Kondensator 112. In diesem Fall kann je- Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher die Sonde doch infolge der Aufrechterhaltung der Spannung an hochgezogen werden soll, sowie durch den Abstand den Klemmen des Kondensators 92 der Ablesetor- zwischen dem Sendeübertrager und dem Empfangsimpuls 598 bei Wiederauftreten eines Nutzsignals am 60 übertrager, welche in der lotrechten Ebene liegen. Empfang erzeugt werden. Es genügt, daß die Periode eines Zyklus klein gegen-

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wer- über der Zeit ist, in welcher die Sonde eine Strecke

den die Schwächungen der Transversalwellen in einer durchläuft, welche gleich dem Abstand zwischen dem

Schicht bestimmter Breite in einem logarithmischen Sendeübertrager und dem Empfangsübertrager ist.

Maßstab registriert. Man erhält also unmittelbar eine 65 -Dt₊-T,

Information in Funktion der Gesamtamplitude der ratentansprucne:

angetroffenen Brüche. Die Verwendung eines loga- 1. Akustisches Bohrlochmeßgerät mit einem

rithmischen Maßstabes ist infolge des für die be- durch elastische Teile gegen die Bohrlochwand

gedrückten Anlagekörper und wenigstens zwei piezoelektrischen Übertragern, gekennzeichnet durch zwei im Anlagekörper (22) vorgesehene Bohrungen (30, 32) zur Aufnahme eines Sendeübertragers (38) und eines Empfangsübertragers (40), wobei die Bohrungen zur Ausbildung von Transversalwellen symmetrisch in einem Winkel von 25 bis 45° zur Normalen auf die Bohrlochwand angeordnet sind.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der Teil des Anlagekörpers (22) zwischen den Übertragern (38, 40) aus Schallwellen absorbierendem Material besteht.

3. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeübertrager (38) mit einem Leistungsoszillator (62) mit einer Schwingungsfrequenz von 100 bis 700 kHz und einer etwa zehn Perioden betragenden Arbeitsdauer verbunden ist und von einer Zeitbasis (60) ausgelöst wird. ao

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit elektronischen Schaltkreisen für die Auswertung der empfangenen Transversalwellen, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Gegenkopplungsschleife, für die Schwächungsmeßsignale bzw. die Laufzeitmeßsignale ausschließlich der Transversalwellen, von denen die erste Schleife eine wesentlich kürzere Ansprechzeit besitzt als die zweite und einen Verstärker (72) mit variabler Verstärkung für das vorverstärkte Empfangssigflal (572) sowie eine Bezugsspannungsquelle (18) für die Angleichung des

Mittelwertes der Hüllkurve (578) des Empfangssignals (572) an die Bezugsspannung durch Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers (72) umfaßt, während die zweite Schleife einen monostabilen Multivibrator (66) zur Abgabe von Impulsen (566) aufweist, deren Dauer an die wahrscheinliche Laufzeit der Transversalwellen anpaßbar ist, durch ein von deren Abfallflanke ausgelöstes Ablesetor (98) für die erste Schleife sowie durch eine Schwellenschaltung (79) für die Auslösung der zweiten Schleife nur für Signale (572) oberhalb einer vorgegebenen Amplitude, so daß die Transversalwellen gleichzeitig hinsichtlich ihrer Amplitude und ihres wahrscheinlichen Auftrittszeitpunktes ausgewählt werden.

5. Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gegenkopplungsschleife einen Speicherkondensator (92) umfaßt, der über Schalter (86, 88) mit zwei Stromgeneratoren (90, 94) entgegengesetzter Polarität verbunden ist, für welche Schalter Steuerkreise vorgesehen sind in Form von Koinzidenzschaltkreisen (82, 84) für die Prüfung der Koinzidenz der Abfallflanke des Impulses (566) mit dem mittleren Zeitpunkt eines durch Formung des verstärkten Signals (572) erhaltenen Impulses (580).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 936 922;
USA.-Patentschrift Nr. 2 825 044.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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