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Die Erfindung betrifft ein unter Ausnutzung der Präzession von Kernen
chemischer Elemente arbeitendes Verfahren zur Ermittlung und/oder Unterscheidung
chemischer Elemente, die sowohl ein magnetisches Moment als auch einen Spin aufweisen,
in Flüssigkeiten und Gasen, die in einer ein Bohrloch umgebenden geologischen Bodenformation
enthalten sind, bei dem die Bodenformation sowohl einem ersten konstanten, dauernd
wirkenden Magnetfeld als auch einem zweiten, mindestens zweimal für einen jeweils
anderen Zeitraum kurzzeitig wirksam gemachten Magnetfeld ausgesetzt wird, dessen
Richtung von der des konstanten Magnetfelds stark abweicht, und bei dem ferner nach
Erlöschen des zweiten Magnetfeldes ein Signal aufgenommen wird, welches durch die
unter der Wirkung des verbleibenden ersten konstanten Magnetfelds entstehende freie
Präzession der Kerne der Elemente der Bodenformation entsteht, wobei eine Kenngröße
dieser Präzessionssignale gemessen und daraus die kernmagnetische Relaxationszeit
T1 der Flüssigkeiten und Gase in der das Bohrloch umgebenden Bodenformation bestimmt
wird. Die Erfindung betrifft weiter eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens
geeignete Vorrichtung.
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Bei dem aus der deutschen Auslegeschrift 1030 940 bekannten, auf
dem Spinechoprinzip beruhenden Verfahren dieser Art wird mit einem ersten, starken,
polarisierten Magnetfeld und einem zweiten, schwächeren Resonanzmagnetfeld gearbeitet,
die beide künstlich erzeugt werden. Das Polarisationsfeld wirkt dauernd, während
das Resonanzfeld in Form zweier gesonderter Hochfrequenzimpulse angelegt wird. Mittels
des ersten Impulses werden die Kerne aus der mit dem Polarisationsfeld ausgerichteten
Lage herausgekippt und so ausgerichtet, daß sie präzessieren, wenn sie versuchen,
sich erneut auf das Polarisationsfeld auszurichten. Nach dem Ende des zweiten Impulses,
der größere Dauer oder Amplitude als der erste Impuls hat, findet wiederum eine
Präzession im Polarisationsfeld statt und tritt nach einer Zeitspanne, die gleich
dem Zeitabstand zwischen dem Ende des ersten und dem Anfang des zweiten Impulses
ist, ein Echosignal auf.
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Durch Wiederholen des insoweit geschilderten Verfahrens mit geändertem
Impulsabstand lassen sich Vergleichsgrößen ermitteln, die Rückschlüsse auf die Zusammensetzung
der Erdformation erlauben.
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Die Genauigkeit der Messungen hängt bei dem bekannten Verfahren in
erster Linie von der Konstanz ab, mit der das starke, künstlich erzeugte Polarisationsfeld
aufrechterhalten werden kann. Bei dem bekannten Verfahren muß daher das Polarisationsfeld
über die gesamte Meßdauer hinweg auf 1/1ooo °/o konstant sein. Es versteht sich,
daß diese Forderung, wenn überhaupt, nur mit einer aufwendigen, komplizierten Meßapparatur
zu erfüllen ist.
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Mit der bekannten Vorrichtung ist es nicht ohne weiteres möglich,
die ersten und zweiten Impulse bei beliebig kleiner Amplitude zu halten. Im Gegenteil
muß bei dieser Vorrichtung stets dafür Sorge getragen sein, daß die Feldstärke des
Resonanzfeldes hinreichend groß ist, damit die Drehung der magnetischen Momente
in eine Ebene, die senkrecht zur Richtung des Polarisationsfeldes steht und in der
der Vektor des Resonanzfeldes liegt, innerhalb einer sehr kurzen Zeit eintritt.
Von der Breite bzw. Zeitdauer der Impulse hängt der Drehwinkel der Vektoren ab.
Diese Bedingungen sind notwendigerweise zu beachten, sonst kann kein Spinecho erhalten
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese für die praktische Anwendung
des Verfahrens entscheidenden Nachteile auszuräumen und ein Verfahren zu schaffen,
das es gestattet, sehr genaue Messungen mit einer vergleichsweise einfachen Meßeinrichtung
durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten
Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als erstes konstantes Magnetfeld das Erdmagnetfeld
verwendet und nach jeder Unterbrechung des zweiten, künstlich aufgebauten Magnetfelds
das Präzessionssignal aufgenommen wird. Das Erdmagnetfeld ist zwar, wenn man das
Ges am volumen der Erde betrachtet, Änderungen sowohl hinsichtlich seiner Stärke
als auch seiner Richtung unterworfen. Für die jeweilige Meßdauer und das Volumen
der ein Bohrloch umgebenden Bodenformation spielen diese Änderungen jedoch keine
irgendwie ins Gewicht fallende Rolle, vielmehr kann dafür das Erdmagnetfeld als
konstant betrachtet werden.
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Das neue Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß zur Erzeugung des
zweiten, kurzzeitig wirkenden Magnetfeldes im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren
kein Hochfrequenzstrom erforderlich ist, sondern ein Gleichstrom benutzt werden
kann, was eine zusätzliche Vereinfachung der Meßapparatur mit sich bringt.
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Zur Unterscheidung zwischen kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigkeiten
und Wasser werden zweckmäßig aus dem Vergleich der gemessenen Kenngrößen der wiederholt
aufgenommenen Präzessionssignale mehrere kernmagnetische Relaxationszeiten ermittelt.
Vorteilhaft kann zur Änderung der Relaxationszeit kernmagnetischer Signale der Kerne
einer der in dem Bohrloch befindlichen und es umgebenden Flüssigkeiten oder Gase
eine in der betreffenden Flüssigkeit molekular lösliche paramagnetische Substanz
den Bohrflüssigkeiten in einer Menge zugesetzt werden, die ausreicht, um die kern
magnetische Relaxationszeit der Kerne der Bohrflüssigkeiten meßbar herabzusetzen,
und es können die Bohrflüssigkeiten unter solchem Druck in das Bohrloch eingeführt
werden, daß die molekular lösliche, paramagnetische Substanz den von den Bohrflüssigkeiten
gebildeten Filterkuchen durchdringt. Auf diese Weise läßt sich die Relaxationszeit
von Protonen in der Bohrflüssigkeit modifizieren und wird eine Unterscheidung zwischen
Flüssigkeiten und Gasen in der Bodenformation einerseits und den beim Einbringen
des Bohrloches verwendeten Flüssigkeiten und Gasen andererseits möglich. In Verbindung
mit Untersuchungsverfahren, die eine Resonanzpräzession der Kerne ausnutzen, ist
es an sich bekannt, dem Bohrschlamm paramagnetische Ionen zuzusetzen; diese Maßnahme
hat dort aber den Zweck, für den Fall einer Abschwächung der Kernresonanzerscheinungen
infolge der erhöhten Temperatur im Bohrloch die Zahl der Kerne zu vergrößern, die
an der Resonanzerscheinung teilnehmen können.
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Als molekulare paramagnetische Substanz kann vorteilhaft molekularer
Sauerstoff verwendet werden.
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Es kann auch eine Substanz benutzt werden, die in Wasser löslich,
in Kohlenwasserstoffen aber im wesentlichen unlöslich ist. Diese Substanz kann in
genügender Menge zugesetzt werden, um die kernmagnetische Relaxationszeit der Kerne
in Wasser, im Bohrloch und darum herum meßbar herabzusetzen.
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Kohlenwasserstoffe und Wasser lassen sich dann auf
Grund
der herabgesetzten Relaxationszeit der Kerne in den Kohlenwasserstoffen voneinander
unterscheiden.
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Bei einer zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung bestimmten
Vorrichtung ist vorzugsweise zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes eine flache,
an die Gleichstromquelle anschließbare Spule vorgesehen, die mindestens eine lotrecht
zur Spulenachse verlaufende Abmessung aufweist, die ein Vielfaches des Durchmessers
des durch die Spule zu polarisierenden Bereichs beträgt. Dabei ist zweckmäßig die
eine Abmessung der Spule senkrecht zur Spulenachse groß gegen die andere senkrecht
zur Achse und zur ersten Abmessung verlaufende Spulenabmessung.
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Diese Ausbildung hat insbesondere den Vorteil, daß sie eine sehr gleichförmige
Polarisation innerhalb des Bereichs der Bodenformation sicherstellt, aus dem Präzessionssignale
aufgenommen werden sollen.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein schematisches
Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines magnetischen Kerninduktionsmeßgerätes
nach der Erfindung, F i g. 2 ein schematisches. Schaltbild eines geeigneten schnellen
elektrischen Schalters, F i g. 3 ein Vektordiagramm des makroskopischen Moments
und der zur Orientierung des makroskopischen Moments wirkenden Felder, F i g. 4
eine Darstellung der Signalspannung über der Zeit für nur eine wasserstoffhaltige
Flüssigkeit, F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Brunnenbohrung und eine
bevorzugte Form eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten
Einspulengerätes, das sich insbesondere zur Bestimmung von Porosität und Flüssigkeitsgehalt
einer Bodenformation, unabhängig von Form und Größe des eingetriebenen Bohrloches,
eignet, F i g. 6 eine Darstellung der Art eines kernmagnetischen Relaxationssignals,
das erhalten wird, wenn man ein auf eine Flüssigkeitsmenge einwirkendes starkes
Polarisationsfeld plötzlich entfernt und die Flüssigkeitsprotonen im Erdmagnetfeld
präzessieren läßt, F i g. 7 eine Darstellung ähnlich wie in F i g. 6, jedoch für
eine Flüssigkeit mit anderer Relaxationszeit, und F i g. 8 eine Darstellung eines
modifizierten kernmagnetischen Signals, das erhalten wird, wenn zwei verschiedene
Flüssigkeiten, z. B. die Bohrflüssigkeit im Bohrloch und die Formationsflüssigkeiten
genügend unterschiedliche Relaxationszeiten haben, um sowohl die von der Formationsflüssigkeit
als auch die von der Bohrflüssigkeit gelieferte Amplitude getrennt erkennen zu können.
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Die Darstellungen der F i g. 6, 7 und 8 sind halblogarithmisch. Die
Ordinaten stellen Logarithmen der Signalamplituden dar, in Abszissenrichtung ist
die Zeit in arithmetischem Maßstab aufgetragen.
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Wie in F i g. 1 veranschaulicht, liefert die Gleichstromquelle 11
über einen Schnellschalter 13 an die Polarisationsspule 15 Gleichstrom. Ein Impulsgeneratorl7
steuert den Schnellschalter 13 und den gesperrten Vorverstärker 19. Eine Meßspule
21 liegt parallel zu einem Kondensator23 und ist mit dem Eingang des gesperrten
Vorverstärkers 19 verbunden.
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Der Vorverstärker 19 liefert über den Bandpaßverstärker 25 Strom zum
Oszillographen 27.
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Der Impulsgenerator 17 erzeugt eine Rechteckwelle
mit negativer Spannung.
Er kann so eingestellt werden, daß die Dauer des negativen Impulses sowie des Zeitraumes
zwischen den einzelnen von ihm erzeugten Impulsen in weitem Bereich variiert werden
kann. Der Impulsgenerator ist so an den Vorverstärker angeschlossen, daß er diesen
sperrt. Außerdem steuert er den Schnellschalter 13. Wie in Fig.2 gezeigt, steuert
der Impulsgenerator 17 die Spannung des Gitters 31 der Vakuumröhre 33. Die Gleichstromquelle
11 liegt über der Spule 15 den Widerstand 35 und die Vakuumröhre 33 an Erde. Der
Wert des Widerstandes 35 ist groß genug, um ihn zu Kernpolarisationszwecken als
unendlich betrachten zu können. Um einen Stromfluß durch die Spule 15 zu erreichen,
wird die Röhre 33 durch einen Wechsel der vom Impulsgenerator 17 gelieferten Spannung
leitend gemacht. Ein späterer Wechsel der Spannung am Gitter 31 bewirkt, daß die
Vakuumröhre 33 nichtleitend wird. Der parallel zur Röhre 33 liegende Widerstand
35 dient zur Begrenzung der Spannung an der Röhre 33, die durch die schnelle Verringerung
des Gleichstroms durch die Induktionsspule 15 hervorgerufen wird.
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Der Strom durch die in F i g. 1 gezeigte Polarisationsspule 15 bildet
im Erdreich um das Bohrloch herum, das geprüft werden soll, ein Magnetfeld, das
seinerseits ein makroskopisches kernmagnetisches Moment mit einer zum Magnetfeld
der Erde senkrechten Komponente bewirkt. Wird das Magnetfeld der Spule 15 hinreichend
schnell zum Zusammenbruch gebracht, präzessiert das makroskopische Moment um das
Erdmagnetfeld. Die Polarisationsspule ist so ausgelegt, daß sie im Vergleich zur
Larmorperiode eines Protons im Erdmagnetfeld einen äußerst raschen Abbau des Polarisationsfeldes
ermöglicht.
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Der Vorverstärker 19 wird ebenfalls durch den Impulsgenerator 17
gesteuert und gesperrt, bis das Gleichstrom-Polarisationsfeld Null erreicht hat.
Dies hat den Zweck, ein Blockieren des Vorverstärkers 19 und des Verstärkers 25
durch die durch Umschalten der Polarisationsspule in der Meßspule induzierten Spannungen
zu vermeiden.
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Sobald das Gleichstrom-Polarisationsfeld der Spule 15 praktisch gleich
Null ist, werden die Kernsignale von dem abgestimmten Meßkreis 21 bis 23 aufgefangen,
verstärkt und auf dem Oszillographen 27 wiedergegeben. Die Spule 21 nimmt das Signal
präzessierender Protonen in einer Art auf, die der Wirkung der Sekundärwicklung
eines Transformators in gewisser Hinsicht ähnelt. Der Winkels zwischen Spule 21
und Spule 15 darf einen beliebigen Wert haben. Soll das von der SpulelS in der Spule
21 induzierte Signal möglichst klein gehalten werden, soll 0 gleich 90" sein. Das
in der Spule 21 durch Schwingungen in der Spule 15 während der Abschaltung von Spule
15 induzierte Signal kann jedoch gedämpft werden, während der Vorverstärker 19 gesperrt
ist.
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Der Kondensator 23 bildet in Verbindung mit der Spule 21 einen abgestimmten
Kreis. Der Oszillograph kann entweder eine Kathodenstrahlröhre sein, deren Schirm
zur Festhaltung des Signals photographiert wird, oder ein Registriergerät anderer
Art.
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Es ist nicht erforderlich, daß die Spule 15 und die Spule21 physikalisch
getrennte Spulen sind. Eine geeignete Form einer einzigen Spule für ein Meßinstrument
ist in F i g. 5 gezeigt und wird später im einzelnen beschrieben.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise des Geräts unter
Bezugnahme
auf F i g. 1 beschrieben. Zunächst muß die Relaxationszeit definiert und die wissenschaftliche
Grundlage erörtert werden, wonach eine Analyse der Signalergebnisse des oben beschriebenen
Geräts vorgenommen werden kann.
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Wenn ein magnetisches Feld von außen auf eine Probe zur Wirkung kommt,
ist die Geschwindigkeit, in welcher das kernmagnetische Moment einen Gleichgewichtswert
erreicht, eine Exponentialfunktion der Zeit und durch die allgemein mit T1 bezeichnete
thermische Relaxationszeit gekennzeichnet: M=Mi+ (Mt - Mt) (1 - e wobei M das kernmagnetische
Moment, Mt das Anfangsmoment des Systems im Augenblick des Anlegens des äußeren
Magnetfeldes und Mt das Endgleichgewichtsmoment des Systems kernmagnetischer Momente
ist. Bewirkt man, daß die Kerne in Phase präzessieren, ergibt sich ein makroskopisches
präzessierendes Gesamtkernmagnetmoment. Die präzessierende Komponente des makroskopischen
Moments wird in einer bestimmten Zeitspanne durch Wärmebewegung der Kernmomente
und die Wechselwirkung der kernmagnettschen Momente unter sich allmählich abgebaut,
und zwar mit einer Geschwindigkeit, die eine Exponentialfunktion der Zeit ist. Die
Geschwindigkeit ist durch die Relaxationszeit T gekennzeichnet, die sowohl durch
T1 (Definition oben) als auch durch T2 bestimmt ist, wobei T2 die Geschwindigkeit
kennzeichnet, mit welcher die präzessierenden Kerne infolge der Wechselwirkung ihrer
kernmagnetischen Momente außer Phase kommen.
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T1 und T2 kennzeichnen eine besondere wasserstoffhaltige Flüssigkeit,
die durch Viskosität, Temperatur, paramagnetische Verunreinigungen, elektronische
Magnetfelder und die Wechselwirkung der kernmagnetischen Momente bestimmt ist. Genauer
gesagt haben die Protonen, die in in der Formation befindlichem Öl vorhanden sind,
eine andere Relaxationszeit T als diejenigen, die sich in der Formation in Wasser
befinden.
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Eine Anzahl kennzeichnender Unterschiede zwischen Öl und Wasser sind
entweder Begleitumstände dieser Wirkung oder rufen eine Änderung der Relaxationszeit
hervor. Öl, das eine andere chemische Zusammensetzung als Wasser hat, vermittelt
seinen Protonen eine etwas andere Relaxationszeit. Bei atmosphärischen Druck- und
Temperaturverhältnissen hat Rohöl eine höhere Viskosität als Wasser und neigt deshalb
zu kürzerer Relaxationszeit. Diese Überlegungen treffen jedoch nur auf Unterschiede
zwischen Öl und Wasser in reiner Form zu. Öl und Wasser im Erdreich zeigen demgegenüber
eine große Anzahl Verunreinigungen. Paramagnetische und ferromagnetische Verunreinigungen
in einer wasserstoffhaltigen Flüssigkeit können die Relaxationszeit der enthaltenen
Protonen verkürzen. Eine sehr geringe Menge solcher paramagnetischer oder ferromagnetischer
Verunreinigungen in den Flüssigkeiten hat eine starke Wirkung auf die Relaxationszeit.
Daher entscheidet die Menge dieser magnetischen Verunreinigungen in dem Bodenwasser
oder Erdöl, ob Öl oder Wasser die längere Relaxationszeit hat. Im allgemeinen sind
in Erdformationen solche Stoffe in Wasser stärker enthalten als in Öl, so daß normalerweise
die Relaxationszeit des Wassers kürzer ist als die des Öls.
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In der Formation enthaltener Kohlenstoff oder Sauerstoff zeigen keine
kern magnetische Resonanz, da das Winkelmoment und das magnetische Moment
der Kerne
dieser beiden Elemente gleich Null sind.
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Feste Stoffe, die nicht in Suspension in Flüssigkeiten innerhalb der
Formation vorkommen, erzeugen keine Resonanzsignale, die stark genug wären, um mit
den Kernresonanzsignalen in Wechselwirkung zu treten, auf welche die Erfindung gerichtet
ist. In manchen Fällen kann man Öl oder Wasser im Bohrschlamm schlecht von solchem
Erdreich unterscheiden. Unter diesen Umständen ist es ratsam, paramagnetische Verunreinigungen
in solcher Menge dem Bohrschlamm zuzugeben, daß die Relaxationszeit der darin enthaltenen
Protonen erheblich verkürzt wird. Dann klingt das Signal von den im Schlamm enthaltenen
präzessierenden Kernen so schnell ab, daß es keine Gelegenheit hat, das von den
in der Formation präzessierenden Kernen aufgenommene Signal zu stören.
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Außerdem kann man den Zusatz so wählen, daß das Bohrflüssigkeitsfiltrat
eine vernachlässigbare Relaxationszeit hat, so daß die Kernresonanzsignale aus dem
Bodenbereich um das Bohrloch herum, wo Filtrat eingedrungen ist, nur Signale erzeugen,
die vom ursprünglich im Boden gelagertem Öl oder Wasser stammen. Falls man Bohrschlamm
auf Wassergrundlage benutzt, läßt sich weiterhin der Zusatz so wählen, daß das Signal
von in der durchsetzten Zone verbliebenem Rohöl nicht beeinflußt wird.
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Wasserlösliche paramagnetische Ionen können in die Bohrflüssigkeit
eingeführt werden, um das aus der Bohrflüssigkeit im Bohrloch und aus dem Bohrlochflüssigkeitsfiltrat,
das unter Umständen die an das Bohrloch angrenzende Erdformation durchsetzt hat,
kommende Signal zu modifizieren. Doch sind die physikalischen Merkmale der Bohrflüssigkeit,
und besonders deren Flüssigkeitseigenschaften, sehr empfindlich für Art und Konzentration
von Ionen in flüssiger Phase. Demgemäß kann die Einführung einiger paramagnetischer
Ionen, etwa von Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer u. ä., die elektrischen Eigenschaften
der Bohrflüssigkeit leicht dahingehend ungünstig beeinflussen, daß normale elektrische
Prüfung der Quellenbohrung sehr schwierig, wenn nicht unmöglich wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Relaxationszeiten
der Protonen in den Flüssigkeiten in und um die Bohrung zu modifizieren, ohne die
physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Bohrflüssigkeit ungünstig zu beeinflussen,
indem ein molekularer paramagnetischer Stoff, wie molekularer Sauerstoff, in die
Bohrflüssigkeit eingebracht wird. Es ist günstig, wenn der molekulare paramagnetische
Stoff sich in der einen oder anderen der beiden zu unterscheidenden Flüssigkeiten,
Öl oder Wasser, besser löst. Molekularer Sauerstoff als paramagnetisches Material
löst sich vorzugsweise in Wasser.
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Der molekulare Sauerstoff kann erfindungsgemäß entweder als reines
Gas direkt in die Bohrflüssigkeit gebracht werden oder in einem gasförmigen oder
flüssigen Gemisch mit inerten Stoffen, z. B. Luft, oder auch in einer Verbindung,
z. B. Wasserstoffperoxyd, die molekularen Sauerstoff freisetzen kann.
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Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der molekulare
paramagnetische Stoff zur Erreichung einer modifizierten Relaxationszeit der in
der Bohrflüssigkeit enthaltenen Protonen während einem Teil oder der gesamten Dauer
der Bohrtätigkeit eingebracht werden. Auf diese Weise löst sich der molekulare paramagnetische
Stoff im Wasser der Bohrflüssigkeit, kann durch den Filterkuchen dringen
und
sogar das poröse Erdreich um das Bohrloch durchsetzen, besonders solche durchlässigen
Formationen, die Wasser in ungebundenem oder freiem Zustand enthalten. Hat die Flüssigkeit,
die das gelöste paramagnetische Material in Molekularform enthält, die Filterscllicht
durchdrungen und die durchlässigen Lagen um die Quellenbohrung durchsetzt, so kann
der molekulare paramagnetische Stoff durch jede Flüssigkeit diffundieren, die eine
nicht unterbrochene Phase mit der eindringenden Flüssigkeit bildet, und vermag auf
diese Weise die kernmagnetische le Relaxationszeit aller in dieser flüssigen Phase
enthaltcnen Protonen zu beeinflussen, unabhängig davon, ob diese ursprünglich in
der Formation vorhanden waren oder während der Bohrung eindrangen.
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Die Modifikation der kernmagnetischen Relaxationszeit der Protonen
in der Bohrflüssigkeit kann auch durch Einführen des molekularen paramagnetischen
Stoffes in die Bohrflüssigkeit nach Beendigung der Bohrarbeiten erreicht werden.
Besondere Teile der Quellenbohrflüssigkeit können so erfindungsgemäß selektiv behandelt
werden, indem man das paramagnetische Material in Molekularform durch den Rohrstrang
einbringt, während dieser aus dem Bohrloch entfernt wird, und bevor die Prüfung
durchgeführt wird.
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Die eigentliche Art, wie das molekulare paramagnetische Material
eingeführt wird, ist in Verbindung mit der Erfindung unwesentlich. Man kann dies
tun, während der Bohrschlamm praktisch unter atmosphärischem Druck steht, indem
man das Material in die über Tag stehenden, normalerweie bei den Bohrarbeiten verwendeten
Zirkulations- und Speichervorrichtungen einbringt. Man kann es auch unter Druck
in den Strom der Bohrflüssigkeit einspritzen, wenn die Flüssigkeit aus den Pumpen
tritt und unmittelbar bevor sie in das Bohrrohr einströmt. Letztere Methode ist
besonders vorteilhaft bei paramagnetischem molekularem Stoff in Gasform. Auf diese
Weise wird nicht nur das Gesamtvolumen des am Bohrplatz zu handhabenden molekularen
paramagnetischen Stoffes durch Verdichtung des gasförmigen Materials reduziert,
sondern durch Einführung in die Flüssigkeit unter hohem Druck erhöht sich auch die
Löslichkeit und damit die effektive Konzentration.
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Molekularer Sauerstoff ist erfindungsgemäß ein äußerst geeignetes
molekulares paramagnetisches Material, da er elektrische Merkmale und Flüssigkeitseigenschaften
der Bohrflüssigkeit nicht nachteilig beeinflußt. Außerdem ist er leicht verfügbar
in vielerlei Formen, z. B. als atmosphärische Luft, Preßluft und komprimierter oder
flüssiger Sauerstoff. Er steht auch in chemisch gebundener Form zur Verfügung, etwa
als Wasserstoffsuperoxyd, das, wenn es auch selbst nicht paramagnetisch ist, doch
leicht zum Zerfall gebracht werden kann und nach der Einspritzung in die Bohrflüssigkeit
molekularen Sauerstoff bildet.
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Leicht ionisierte paramagnetische Molekularstoffe lassen sich auch
benutzen, ohne daß sie die elektrischen Eigenschaften des Schlammes ernstlich stören.
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Bei der Anwendung der Erfindung benutzt man das Erdmagnetfeld He
als äußeres Magnetfeld. Protonen innerhalb dieses Feldes haben genügend Zeit, sich
in Richtung des Feldes einzustellen. Demgemäß interessiert die Relaxationszeit im
Mechanismus der ursprünglichen Ausrichtungen nicht. Wie oben erwähnt, hat sich eine
etwas größere Anzahl der Protonen in Feldrichtung ausgerichtet. Läßt man ein zweites
Gleichstrommagnetfeld
in einem Winkel zum Erdmagnetfeld auf eine Probe einwirken, so befindet sich das
resultierende Magnetfeld Hr in einem Winkel zum Erdmagnetfeld der Erde und dem zweiten
Magnetfeld Hp (F i g. 3). Die Kerne haben nun die Tendenz, sich in Richtung des
resultierenden Magnetfelds Hr einzustellen. Das Überwiegen der mit dem Feld Hr ausgerichteten
kernmagnetischen Momente verursacht eine neue Orientierung und Größe des makroskopischen
Moments. Der Vorgang, bei dem sich das makroskopische Moment von der Riclltung Hd
auf die Richtung Hr umstellt, geht nicht unmittelbar vonstatten, sondern erfolgt
entsprechend der Gleichung M= f0(1e-tIT1) + Me wobei M= der Vektor des makroskopischen
Moments in Richtung von Hr, Mio = ein bekannter Vektor = X (Hr Ha), t = Zeit, Me
= Vektorkomponente des makroskopischen Moments in Richtung des Erdfeldes, T1 = thermische
Relaxationszeit, X = kernmagnetische Suszeptibilität der Zwischenflüssigkeiten in
der Bodenformation um das Bohrloch.
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Nach einer Zeitspanne erreichen die Protonen einen stationären Zustand,
bei dem das makroskopische Moment in Richtung von Hr praktisch gleich Mo ist, wenn
Hp bedeutend größer ist als Hc, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fall
ist.
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Wenn das Feld Hp entfernt wird, neigt das makroskopische Moment dazu,
sich nach Hc auszurichten und auf seinen ursprünglichen Wert Me abzusinken.
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Wird Hp schnell genug entfernt (innerhalb eines im Vergleich zu l/L
kurzen Zeitraums, wobei O>L die Lamorfrequenz eines Protons im Magnetfeld der
Erde ist), präzessiert das makroskopische Moment um Hc. l/WL ist für in Hc befindliche
Protonen etwa l/20 Millisekunden. Hp kann etwa 10 Gauß betragen, während Ha in del
Größenordnung von 1/2 Gauß liegt.
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Damit Präzession eintritt, muß Hp von etwa 1 Gauß in ungefähr l/200ao
Sekunde oder weniger auf einen Wert von weit weniger als 1 Gauß gebracht werden.
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Die in der Nähe der Probe befindliche Meßspule 21 kann die Präzession
des makroskopischen Moments feststellen. Befindet sich das makroskopische Moment
in Präzession, hat es die Tendenz, sich nach Ha auszurichten, und die Protonen sind
bestrebt, eine willkürliche Stellung in bezug auf die zur Präzessionsachse senkrechte
Ebene einzunehmen. Infolgedessen verringert sich das von der Meßspule empfangene
Signal nach der Gleichung: V = B e-t/2', wobei V - Signalspannung, B = eine willkürliche
Konstante, T = Relaxationszeit, t = Zeit ist.
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F i g. 4 zeigt eine graphische Darstellung von V über 1, deren Einhüllende
durch obige Gleichung gegeben ist. Wie schon früher ausgeführt, hängt die in obiger
Gleichung erscheinende Relaxationszeit sowohl von der thermischen Relaxationszeit
T1 als auch von der Spin-Spin-Relaxationszeit T2 ab, während die
Relaxationszeit,
welche die Zeit bestimmt, welche die Protonen zur Ausrichtung mit dem resultierenden
Feld Hr benötigen, die thermische Relaxationszeit ist.
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Der Oszillograph registriert ein Signal, wie das in Fig. 4 gezeigte.
Die entsprechende Aufzeichnung wird folgendermaßen interpretiert: die Amplituden
von Spitze zu Spitze werden gemessen und dann in Beziehung gesetzt, um die in der
Gleichung V = B e-tlT erscheinenden Konstanten zu erhalten. fn dieser Gleichung
ist die Konstante T die zu bestimmende Größe. Dies ist die Relaxationszeit. Zeigt
das Signal die kombinierte Wirkung von zwei gleichzeitig in Erscheinung tretenden
Relaxationszeiten für eine heterogene Mischung zweier verschiedener Flüssigkeiten,
läßt sich das Signal in der unten in Verbindung mit F i g. 5 bis 8 für die Werte
von zwei Relaxationszeiten erklärten Weise analysieren.
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Die obige Beschreibung der Auswertung der Ergebnisse des Oszillographen
basiert darauf, daß der Impulsgenerator 17 mit Sperrzeiten gleicher Länge betrieben
wird, die ausreichen, um den Kernen eine Ausrichtung mit dem resultierenden Feld
H zu ermöglichen. Mit Hilfe e dieser Methode wird die Signalabkling-Relaxationszeit
gemessen. Andererseits läßt sich auch die Polarisationszeit messen. Zu diesem Zweck
wird der Impulsgenerator so eingestellt, daß er Impulse in unterschiedlichen Zeitabständen
aussendet, wobei diese Zeitabstände vorher festgelegt sind. Die Dauer jeder nachfolgenden
Sperrzeit ist um einen diskreten Betrag größer als diejenige der vorangehenden.
Das Signal der präzessierenden Kerne wird von der Spule 21 wie zuvor aufgenommen
und mittels des Oszillographen aufgezeichnet. Am Ende eines sehr kurzen Impulses
von der Spule 15 ist die Maximalamplitude des von Spule 21 aufgefangenen Signals
geringer, als sie es wäre, wenn das magnetische Moment in der Richtung von Hr einen
hohen Wert erreicht hat. Je länger der Impuls von der Polarisationsspule 15 ist,
um so größer ist die Maximalamplitude der vom Oszillographen 27 registrierten Spannung.
Wenn also eine Anzahl von Aufzeichnungen auf dem Oszillographen registriert worden
sind, die von Impulsen unterschiedlicher Dauer herrühren, können Werte erhalten
werden, aus denen sich eine graphische Darstellung der Maximal-Signalspannung über
der Polarisationszeit anfertigen läßt. Aus dieser läßt sich die thermische Relaxationszeit
T1 ablesen.
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Diese Größe T1 ist bei der Unterscheidung von Wasser und Öl in einer
Bodenformation ebenso nützlich wie die Bestimmung der Relaxationszeit, die nach
Abschalten der Gleichstromzufuhr gemessen wird. Man kann die Existenz von zwei Werten
für Tl, die von Rohöl und Bodenwasser stammen, feststellen und die Werte für T1
nach der oben für die Bestimmung von T beschriebenen Weise messen.
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Die Qualität des vom Oszillographen registrierten Signals und seine
Brauchbarkeit zur Bestimmung der Flüssigkeitsarten in der Bodenformation hängen
zum Teil davon ab, wie tief das Gleichstromfeld der Polarisationsspule 15 in das
Erdreich eindringt. Es ist daher wichtig, daß die Spule 15 so beschaffen ist, daß
sie maximales Eindringvermögen verbunden mit der Erzeugung eines feststellbaren
nuklearen Resonanzsignals gewährleistet. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät besteht
die Polarisationsspule aus einer flachen
rechteckigen Spule großer Länge und mit
einer dem Bohrlochdurchmesser angepaßten Breite. Bis auf das Endenbereich der Polarisationsspule
ist das von dieser Spule erzeugte Feld praktisch gleich dem zweier parallellaufender
endloser Drähte, d. h., seine Länge ist im Vergleich zum Durchmesser eines Polarisationsfeldes
groß. Dieses Feld fällt mit wachsender Entfernung von der Spule langsamer ab als
das einer Kreiswicklung. Die erfindungsgemäße Spule ermöglicht Probenprüfungen bis
tiefer in die Bodenformation hinein und liefert stärkere nukleare Resonanzsignale
als eine Kreiswicklung. Die Meßspule hat entlang der Bohrlochachse eine Länge, die
geringer ist als die Dicke der dünnsten Struktur, die identifiziert werden soll.
Zweckmäßigerweise ist sie auch hinreichend kürzer als die Polarisationsspule 15,
so daß die an den Enden vorliegenden Verhältnisse sich nicht nachteilig bemerkbar
machen.
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Bei der obigen Ausführungsform wird ein Charakteristikum der Relaxationszeiten,
wie Amplitude oder Dauer des Signals, zur Unterscheidung kernmagnetischer Signale
von Öl und Wasser benutzt. Bei der im folgenden beschriebenen Ausführungsform (F
i g.
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5 bis 8) wird dies nicht als Hauptmerkmal des Verfahrens betrachtet.
Es ist dabei jedoch nötig, daß zwei unterscheidbare Relaxationszeiten vorhanden
sind, eine von der Flüssigkeit im Bohrloch und die andere von der Flüssigkeit im
Erdreich um die Bohrung.
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Diese zwei Relaxationszeiten müssen so unterschiedlich sein, daß getrennte
Messung der Amplituden der entsprechenden Signale möglich ist; ist diese Bedingung
aber erfüllt, ist es nicht nötig, die Relaxationszeiten selbst quantitativ zu messen.
Unter bestimmten Umständen kann vorliegendes Verfahren jedoch in Verbindung mit
Relaxationszeitmessungen zur zusätzlichen Unterscheidung zwischen Öl und Wasser
benutzt werden.
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Die in F i g. 5 gezeigte Anordnung eignet sich besonders zur Unterscheidung
zweier verschiedener Relaxationszeiten, indem die Dichte ansprechender Protonen
im Erdreich durch eine Reihe im folgenden behandelter Schritte gemessen wird.
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Der Ausdruck »Dichte ansprechender Protonen« bezieht sich auf die
Anzahl Protonen pro Volumeinheit in dem zu untersuchenden Material, genauer gesagt
auf die Zahl von Protonen oder Wasserstoffkernen pro Volumeinheit, die auf angelegte
Magnetfelder reagieren können, um so brauchbare kernmagnetische Signale zu erzeugen.
Normalerweise sind alle in den Molekülen von Flüssigkeiten enthaltenen Protonen
solche ansprechenden Protonen. Das Wort tansprechend« wird hier speziell gebraucht,
um Protonen auszuschließen, die in Molekülen fester Stoffe gebunden sind, oder auch
in Molekülen normalerweise flüssiger Stoffe, welche durch starke physikalische oder
chemische Kräfte selbst in oder an Stoffen gebunden oder adsorbiert sind, so daß
sich ihre Protonen in angelegten Magnetfeldern nicht frei ausrichten und auf diese
derart reagieren können, daß brauchbare kern magnetische Signale entstehen.
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Die in Bodenformationen vorkommenden Flüssigkeiten, mit denen sich
die Erfindung insbesondere befaßt, sind Petroleumöle, Petroleumgase und Wasser.
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Es kommt in der Natur der Sonderfall vor, daß die Protonenzahl pro
Volumeinheit flüssigen Petroleumöls und die Protonenzahl pro Volumeinheit Wassers
annähernd gleich sind, so daß sie für die erfindungsgemäßen Zwecke praktisch als
gleichwertig gelten können.
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Für gewöhnlich ist die Protonenzahl pro Volumeinheit Petroleumgas
bedeutend geringer als die in Ölen oder Wasser; sie kann z. B. tausendmal kleiner
sein. Hieraus folgt, daß, wenn die Dichte der ansprechenden Protonen in einem Raumteil
bestimmt wird, der mit porösem Gestein gefüllt ist, dessen Poren ihrerseits Öl,
Gas und Wasser enthalten, die bestimmte Dichte der ansprechenden Protonen weitgehend
ein Maß für den Gesamtflüssigkeitsgehalt in den Poren des Felsgesteins ist. Wenn
überdies die Porenräume des Gesteins zufällig bloß mit Öl und Wasser, nicht aber
mit Gas, gefüllt sind, ist die ermittelte Dichte der ansprechenden Protonen nicht
nur ein Maß für den Gesamtflüssigkeitsgehalt des Gesteins, sondern auch ein Maß
für den Porenraum des Gesteins, d. h. dessen Porosität.
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Die in F i g. 5 veranschaulichte Anordnung eignet sich inbesondere
zur Bestimmung des Flüssigkeitsgehaltes bzw. der Porosität von Bodenformationen
wie die mit 40, 41 und 42 bezeichneten, die von der Quellenbohrung 43 durchstoßen
sind. Das Bohrloch 43, dargestellt als in die Erdformationen getriebene Quellenbohrung
zur Auffindung von Ö1, ist in Gestalt und Durchmesser unregelmäßig eingezeichnet
; es ist mit einer Bohrflüssigkeit 44 gefüllt, die einen Filterkuchen 45 an deo
Wänden des Bohrloches bildet, durch welchen ein wenig flüssige Phase der Bohrflüssigkeit
in die Formationen 40, 41 und 42 eindringen kann.
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Wie in Fig. 5 weiter zu erkennen ist, hat das Meßinstrument eine
Lage, die die Messung der Dichte von ansprechenden Protonen in der Formation 41
ermöglicht, wobei die Polarisationsspule 15 in Höhe der Formation 41 liegt. Ein
starker Gleichstrom wird für eine ausreichend lange Zeit durch die Spule 15 geleitet,
um den ansprechenden Protonen der Bohr-und der Formationsflüssigkeit ein makroskopisches
kernmagnetisches Moment zu verleihen. Die Spule 15 wird von der Quelle 11 über den
Leiter 37 des Kabels 46 gespeist. Dann wird der Gleichstrom wie oben beschrieben
mittels des Schnellschalters 13 ganz plötzlich unterbrochen.
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Die Gleichstromzufuhr von der Quelle 11 zur Spule 15 wird durch Betätigung
des Schalters 20 mittels des Relais 18 plötzlich unterbrochen. Es ist zweckmäßig,
daß sowohl Schalter 20 als auch Relais 13 in einem Vakuumbehälter 22 enthalten sind
um Bogenbildung während der Stromunterbrechungen zu unterbinden. Die Protonen in
der Formation und in der Bohrflüssigkeit präzessieren nun im Magnetfeld der Erde,
und ihre Präzession kann mittels des durch die Bewegung in Spule 15 erzeugten oszillierenden
magnetischen Signals festgestellt werden. Durch Verbindung der Spule 15 über den
Schalter 20 und den Leiter 38 mit einem Empfangs- und Umsetzungskreis, z. B. einem
Bandpaßverstärker 25, wird die Spule 15 aus einer Vorrichtung zur Erzeugung von
Feldern in eine Vorrichtung zur Feldmessung verwandelt. Diese Umwandlung erfolgt,
wenn das Relais 18 durch den Druckknopf 34 betätigt wird, um die aus der Batterie
32 dem Leiter 36 zugeführte Energie zu steuern. Der Ausgang des Umsetzungskreises
25 kann an eine Kathodenstrahlröhre 30 angelegt werden, deren Ausgangsgröße ihrerseits
auf geeignetem Wege, wie etwa mittels Kamera 26, fortschreitend kontinuierlich aufgezeichnet
wird.
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Mit der Kamera 26 kann gleichzeitig auch die Tiefe der Spule 15 im
Bohrloch festgehalten werden, indem
ein Tiefenanzeiger 28 photographiert wird, der
auf die Länge des Kabels 46 in der Quellenbohrung anspricht.
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Das auf der Kathodenstrahlröhre 30 beobachtete Signal läßt sich, wie
F i g. 6 zeigt, durch geeignete Auslegung des Umsetzungskreises 25 halblogarithmisch
gestalten. Es sei jedoch besonders darauf aufmerksam gemacht, daß die logarithmische
Darstellung des Signals lediglich ein Vorteil für einige Meßarbeiten bedeutet. Sie
ist hier als zweckmäßig und einfach bei der Beschreibung des entsprechenden Meßvorgangs
angeführt, doch ist die logarithmische Darstellung des Zeichens für das Verfahren
nicht wesentlich. Vielmehr ließe es sich auch bei rein arithmetischer Signaldarstellung
durchführen.
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Durch welches besondere Verfahren auch immer das Schwingsignal aufgenommen
wird, es sollte immer in der in F i g. 6 aufgezeigten oder einer äquivalenten Form
geschehen, die ermöglicht, den Anteil der Bohrflüssigkeit und denjenigen der Formationsflüssigkeiten
am Signal getrennt festzustellen. Wenn das zusammengesetzte Signal wie in Fig.6
halblogarithmisch dargestellt wird und die Relaxationszeiten der verschiedenen Signalanteile
hinreichend verschieden sind, ist es möglich, die Einhüllende der Formationskomponente
bis zur Amplitudenachse zurück zu extrapolieren, um auf diese Weise den Anfangswert
der Amplitude des Signals A1 von den Formationsflüssigkeiten, wie in F i g. 8 gezeigt,
abzuschätzen.
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Diese Amplitude Af kann von der Gesamtamplitude substrahiert werden,
die durch Extrapolieren der Einhüllenden des Gesamtsignals bis zurück zur Amplitudenachse
abgeschätzt wird. Der Unterschied zwischen der Gesamtamplitude und der Amplitude
Af, in F i g. 8 als Ad bezeichnet, ist die Amplitude des BohrflüssigkeitssiPti e
ls. Selbstverständlich können beide Amplituden Af und A< in Zahlen umgewandelt
werden, welche die wirklichen arithmetischen Größen und nicht die Logarithmen dieser
Werte ausdrücken. tst der halblogarithmische Maßstab nicht in arithmetischen Zahlen
eingeteilt, läßt sich eine Umrechnung vornehmen. Die bei der Bestimmung von Flüssigkeitsgehalt
oder Porosität endgültig benutzten Zahlen sind normalerweise arithmetisch.
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Wenn die Flüssigkeiten in der Formation nicht genügend Unterschiede
gegenüber der Bohrflüssigkeit aufweisen, kann es vorkommen, daß die Bohrflüssigkeit
modifiziert werden muß, um die Relaxationszeit der in ihr enthaltenen Protonen zu
ändern, so daß ein zusammengesetztes Signal, ähnlich demjenigen nach F i g. 8, entsteht,
bei welchem die Beiträge der Bohrflüssigkeit und der Formationsflüssigkeit unterschieden
werden können. Wird dies nötig, läßt sich die Relaxationszeit der ansprechenden
Protonen in der Bohrflüssigkeit verkürzen, indem ein oder mehrere magnetische Stoffe
mit paramagnetischen oder ferromagnetischen Eigenschaften eingeführt werden. Ein
gutes Beispiel für solches Material ist das natürliche Mineral Magneteisenstein.
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Im allgemeinen werden diese magnetischen Stoffe der Bohrflüssigkeit
zu einem günstigen Zeitpunkt besonders zugegeben, und zwar entweder während der
Bohrarbeiten oder nachdem diese beendet sind.
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In vielen Fällen vermindern die Metallspäne von Bohrrohr und Bohrerspitze,
die in der Bohrflüssigkeit verbleiben, den Bedarf an solchen Zusätzen. Ebenso verändern
bestimmte magneteisensteinhaltige Sandsteinarten, auf die man beim Bohren trifft,
die Bohrflüssigkeit in günstiger Weise.