DE1448715B1

DE1448715B1 - Elektronische Schaltungsanordnung für ein Bohrlochmeßgerät zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei elektrischen Impulsen

Info

Publication number: DE1448715B1
Application number: DE19621448715
Authority: DE
Inventors: Lloyd Elmer Elliott; Kerry Dale Savage
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1962-12-27
Filing date: 1962-12-27
Publication date: 1970-07-23

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung für ein Bohrlochmeßgerät, das über eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten elektroakustischen Wandlern in einer langgestreckten Sonde verfügt, die über ein einadriges Kabel mit dem oberirdischen Stromkreis verbunden ist, zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei elektrischen Impulsen, die auf einen ersten elektrischen Impuls im Zuge einer Impulsreihe folgen, die in einem unterirdischen Stromkreis des Bohrlochmeßgerätes beim Auftreten von akustischen Impulsen an den jeweiligen Wandler erzeugt wird und die im oberirdischen Stromkreis mittels eines Impulsüberwachungskreises ausgewertet wird.
Es ist bekannt, bei physikalischen Bohrlochmessungen ein einadriges Kabel für die Übertragung elektrischer Informations- und Meßsignale von der Meßsonde im Bohrloch zu dem oberirdischen Gerät zu verwenden.
Auch sind akustische Verfahren zur Untersuchung von Gebirgsschichten bekannt, bei denen die Geschwindigkeit einer Ultraschallwelle durch die verschiedenen unterirdischen Gebirgsschichten dadurch gemessen wird, daß man einen akustischen Impuls mit einer Wiederholungsfrequenz von etwa 10 bis 40 Impulsen pro Sekunde erzeugt. Bei diesen Verfahren wird die Zeit bestimmt, die vergeht, wenn einer der akustischen Impulse zwischen zwei bestimmten Punkten in dem Bohrloch durch die unterirdische Schicht hindurchgeht.
Bei diesen bereits bekannten akustischen Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit verwendet man einen besonderen elektrischen Kanal zwischen dem ersten von zwei im Abstand voneinander angeordneten bestimmten Punkten und einen Zeit-Meßkreis zur Ermittlung des Zeitintervalls und außerdem einen besonderen Kanal zwischen dem zweiten Punkt und dem Meßkreis. Die beiden elektrischen Kanäle, die an den Meßkreis angekoppelt sind, enden in dem Bohrloch oder werden durch das Bohrloch hindurch über ein Kabel mit mehreren Leitern mit dem Meßkreis verbunden, der auf der Oberfläche der Erde angeordnet ist. Zusätzlich zu diesen beiden elektrischen Kanälen zur Lieferung von Signalen von zwei entfernt voneinander liegenden Punkten zu dem Meßkreis wird noch ein weiterer Kanal benutzt, der einen elektrischen Impuls liefert, der auf einen Wandler gegeben wird, um die akustischen Impulse in dem Bohrloch zu erzeugen; schließlich wird noch ein weiterer elektrischer Kanal zur Speisung des unterirdischen Untersuchungsgerätes verwendet, das meistens ein elektronisches Gerät ist, so daß man mindestens ein vieradriges Kabel benötigt. In den Fällen, in denen die Kanäle zwischen den beiden entfernt voneinander liegenden Punkten und dem elektrischen Meßkreis des akustischen Systems vollständig in dem Untersuchungsgerät in dem Bohrloch enthalten sind, ist es schwierig oder sogar unmöglich, dieses System einwandfrei zu eichen. Bei den zuletzt genannten Systemen wird ein elektrisches Signal durch das Bohrloch hindurchgegeben, welches ein Maß für die Geschwindigkeit in der unterirdischen Schicht in der Nähe des Untersuchungsgerätes abgeben soll. Es hat sich aber gezeigt, daß dieses Signal von unbekannten Gegebenheiten in der ungünstigen Umgebung des Bohrloches abhängig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oberirdischen Stromkreis derart auszubilden, daß der zeitliche Abstand der zwei elektrischen Impulse, die auf den ersten folgen, ermittelt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Impulsüberwachungskreis, der alle drei Impulse empfängt, parallel zu einem Impulslöschkreis geschaltet ist, dessen Ausgang an einem Stromkreis zur Messung des zeitlichen Abstandes zwischen den elektrischen Impulsen der Impulsreihe angeschlossen ist, und der den ersten elektrischen Signalimpuls löscht.
In den F i g. 1 bis 4 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt und nachstehend näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild des unterirdischen Teils des Bohrlochmeßgerätes, Fig. 2 ein Blockschaltbild des oberirdischen Impnlsüberwachungskreises des Bohrlochmeßgerätes, Fig. 3 ein Zeitdiagramm der in der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung auftretenden Spannungen und F i g. 4 ein Schaltbild des Kabel-Impulskreises zum Anschluß des unterirdischen Stromkreises an das Kabel.
Das Bohrloch 10 in Fig. 1 enthält die übliche flüssige Substanz, die meistens irgendein schlammiger Rückstand des Bohrverfahrens ist. Das Bohrloch verläuft durch eine Anzahl unterirdischer Schichten 12, 14 und 16, deren akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Im Innern des Bohrlochs befindet sich eine langgestreckte Sonde 18, die von einem Stromkabel 20 gehalten wird, das einen isolierten Leiter enthält. Dieses einadrige Kabel 20 enthält einen Leiter 22 und eine äußere Hülle 24 aus Stahlgewebe. Die Sonde 18 besitzt einen akustischen Teil 26 mit einem Wandler 28 zur Aussendung akustischer Impulse und einen ersten und einen zweiten Wandler 30 und 32 für den Empfang akustischer Impulse. Der Sendewandler 28 und der erste Empfangswandler 30 sind etwa 90 cm voneinander entfernt, während der erste und der zweite Empfangswandler etwa 30 cm voneinander entfernt sind. Die Wände und das Innere des akustischen Teils 26 der Sonde 18 sind aus einem synthetischen gummiähnlichen Material hergestellt, in dem die Schallgeschwindigkeit nicht größer ist als in der Flüssigkeit des Bohrloches, also aus einem Material, in dem die Schallgeschwindigkeit kleiner ist als 1524 m/s und das die hohen Temperaturen und Drücke aushält, die in einem Bohrloch vorkommen. Der obere Teil der Sonde 18 ist ein elektronischer Teil 34, in welchem sich die elektronischen Bauelemente für die Messung befinden.
Der elektrische Teil 34 enthält einen Taktgeber 36 in Form eines Oszillators, der Impulse, vorzugsweise mit konstanter Wiederholfrequenz, beispielsweise mit 20Impulsen pro Sekunde, erzeugt. Ein akustischer Impulsgeber 38 zur Erzeugung eines Spitzenimpulses mit hoher Energie ist an den Ausgang des Taktgebers 36 und sein Ausgang an den Sendewandler 28 angeschlossen. An dem Ausgang des Taktgebers 36 liegt ein erster Impulsverzögerungskreis 40, der einen monostabilen Multivibrator und eine Differenzierschaltung enthält. Ein erster Torimpulsgenerator 42, der ebenfalls ein monostabiler Multivibrator sein kann, der einen positiven Rechteckimpuls erzeugt, liegt am Ausgang des ersten Impulsverzögerungskreises 40. Der erste Torimpulsgenerator 42 liegt an einem Gitter eines erstenDoppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 44 eines ersten Triggergenerators 45.
Der erste Empfangswandier 30 des akustischen Teils 26 der Sonde 18 ist an ein erstes Hochpaßfilter 46 angeschlossen, das vorzugsweise eine Grenzfrequenz von etwa 5 kHz besitzt. Ein erster Verstärker und Schwellwertbegrenzer 48 liegt am Ausgang des ersten Filters 46. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers und Schwellwertbegrenzers 48 wird auf ein zweites Gitter des Doppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 44 gegeben.
Die Anode des Thyratrons 44 liegt über einen hochohmigen Belastungswiderstand 50 an der positiven KlemmeB+ einer Energiequelle. Ein Speicherkondensator 52 liegt zwischen der Anode des Thyratrons 44 und Erde. Das Schirmgitter des Thyratrons 44 ist ebenfalls an Erde gelegt. Ein Kathodenwiderstand 54 ist zwischen die Kathode des Thyratrons 44 und Erde gelegt. Ein Doppel-Kathodenverstärker 56 mit einer ersten Triode 58 und einer zweiten Triode 60 besitzt einen gemeinsamen Kathodenwiderstand 62. Das Steuergitter der ersten Triode 58 liegt am Ausgang I des ersten Tnggergenerators 45, der gleichzeitig die Kathode des Thyratrons 44 ist, und zwar ist die Verbindung über einen ersten Koppelkondensator 64 hergestellt. Das Steuergitter der ersten Triode 58 liegt außerdem über einen Widerstand 66 an Erde. Das Steuergitter der zweiten Triode 60 liegt über eine Sperrdiode 68 am Ausgang des Taktgebers 36. Ein Widerstand 67 liegt zwischen dem Steuergitter der zweiten Triode 60 und Erde.
Ein zweiter Impulsverzögerungskreis 70, der ebenfalls aus einem monostabilen Multivibrator und einem Differenzierkreis besteht, liegt am Ausgang II des ersten Triggergenerators 45, dem Kathodenwiderstand 54 des Thyratrons 44. Der Ausgang des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 ist an einen zweiten Torimpulsgenerator 72 angekoppelt, der'ebenfalls einen monostabilen Multivibrator enthält. Der Ausgang des zweiten Torimpulsgenerators 72 liegt an einem ersten Steuergitter eines zweiten Doppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 74 eines zweiten Triggergenerators 75. Ein hochohmiger Widerstand 76 liegt zwischen der Anode des zweiten Thyratrons 74 und der positiven Klemme B + der Stromquelle. Ein Kondensator 78 liegt zwischen der Anode des zweiten Thyratrons und Erde.
An den Ausgang des zweiten Empfangswandlers 32 ist ein zweites Filter 82 angekoppelt, das ebenfalls vorzugsweise ein Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von annähernd 5 kHz ist. Ein zweiter Verstärker und Schwellwertbegrenzer 84 ist an den Ausgang des zweiten Filters 82 angeschlossen. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 84 wird auf ein zweites Steuergitter des Thyratrons 74 gegeben. Die Kathode des zweiten Thyratrons 74 ist über eine zweite Sperrdiode 86 an das Steuergitter der zweiten Triode 60 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 gelegt.
Die Kathoden des Doppel-Kathodenverstärkers 56 sind über einen Koppelkondensator 90 an das Steuergitter eines Wasserstoffthyratrons 88 eines Kabel-Impulskreises 87 für die Impulserzeugung für das Kabel angeschlossen. Das Steuergitter des Wasserstoffthyratrons 88 liegt weiterhin über eine Drosselspule 92 an einem negativen Gleichstrompotential.
Ein Netzwerk 94 für die Energiespeicherung bzw. Impulsformung enthält Kondensatoren 96 und 98 und eine Spule 100 und ist mit dem einen Anschluß an Erde und mit dem anderen Anschluß unmittelbar an die Anode des Wasserstqffthyratrons 88 und über einen Widerstand 102 an die positive Klemme B + der Stromquelle gelegt. Das Speichernetzwerk 94 kann beispielsweise ein bestimmtes Stück eines Koaxialkabels sein. Ein Kathodenwiderstand 104 mit niedrigem Ohmsches Widerstandswert liegt zwischen der Kathode des Wasserstoffthyratrons 88 und Erde.
Ein Koppelungskondensator 106 liegt zwischen der Kathode des Thyratrons 88 und dem einadrigen Kabel 20. Eine Energiequelle 108 für das Bohrloch ist über ein Filternetzwerk 110 an den Leiter 22 des Kabels 20 angeschlossen. Dieses Netzwerk enthält einen Kondensator 112, der zwischen dem Eingang der Energiequelle 108 und Erde - liegt, und eine Spule 114, die zwischen dem Eingang der Energiequelle 108 und dem Leiter 22 des Kabels 20 liegt.
Derjenige Teil des Bohrlochmeßgerätes nach der Erfindung, der über der Erde liegt, ist in F i g. 2 gezeigt. Wie man aus dieser Figur ersieht, läuft das Kabel 20 über ein Kabelmeßgerät 116. Das obere Ende des Leiters 22 des Kabels 20 ist an eine erste Primärwicklung 118 eines Aufwärtstransformators 120 gelegt, während die Hülle 24 des Kabels geerdet ist.
Eine zweite Primärwicklung 122 des Transformators 120 liegt in Reihe mit der ersten Primärwicklung 118 und mit einer Spule 124 zusammen am Ausgang einer Energiequelle 126, die im wesentlichen ein regelbarer Aufwärtstransformator ist, der die Energie von 110 Volt -und 60 Hz auf eine Energiequelle 125 mit annähernd 280 Volt und 60 Hz anhebt. Eine weitere Energiequelle 128 liegt ebenfalls am Ausgang der Energiequelle 125 für 110 Volt und 60 Hz. Ein erster Kondensator=130 liegt zwischen dem Ausgang der Energiequelle 126 und Erde. Ein zweiter Kondensator 132 liegt zwischen dem Ausgang der Energiequelle 126 und dem gemeinsamen Punkt zwischen den ersten und zweiten Primärwicklungen 118, 122 des - Transformators 120. Die Sekundärwicklung 134 dews Transformators 120 ist an ein Hochpaßfilter 136 gelegt. Der Ausgang des Hochpaßfilters 136 liegt an einem Verstärker 138, dessen Ausgang an einem Sperroszillator 140 liegt. Ein Impulsanzeigegerät, beispielsweise ein Kontrolloszilloskop 141, liegt am Ausgang des Hochpaßfilters 136.
Der Ausgang des Sperroszillators 140 liegt über einen Koppelwiderstand 150 an dem Steuergitter der ersten Triode 146 eines ersten Impuls-Löschkreises 142, der aus einem monostabilen Multivibrator 144 mit einer ersten Triode 146 und einer zweiten Triode 148 besteht. Die Anode der zweiten Triode 148 des monostabilen Multivibrators 144 liegt über einen ersten Widerstand 152 in Serie mit der Parallelschaltung aus einem zweiten Widerstand 154 und einem parallel dazu liegenden Kondensator 156 an der negativen Klemme B - einer Energiequelle. Außerdem ist ein erster Belastungswiderstand 158 über einen ersten Koppelkondensator 160 an den Ausgang des Sperroszillators 140 gelegt. Eine Siliziumdiode 162 liegt zwischen dem ersten Belastungswiderstand 158 und dem gemeinsamen Punkt zwischen dem ersten Widerstand 152 und dem zweiten Widerstand 154.
Ein zweiter Belastungswiderstand 164 liegt zwischen dem gemeinsamen Punkt des ersten I (oppelkondensators 160 und des ersten Belastungswiderstandes 158 einerseits und Erde andererseits. Ein zweiter Koppelkondensator 166 liegt zwischen dem gemeinsamen Punkt des ersten Belastungswiderstandes 158 und der Siliziumdiode 162 und einem Gitterwiderstand 168.
Der Gitterwiderstand 168 liegt zwischen dem Steuergitter eines Kathodenverstärkers 170 einer negativen Vorspannungsquelle. Die Anode des Kathodenverstärkers 170 liegt direkt an dem positiven Anschluß B+ + einer Stromquelle, während die Kathode dieses Verstärkers 170 über einen Lastwiderstand 172 an Erde liegt.
Die Kathode des Kathodenverstärkers 170 ist an eine Triggerschaltung 174 in Form eines Zweierteilers angeschlossen, der seinerseits an einen Sägezahngenerator 176 angeschlossen ist. Ein Spitzenwert-Röhrenvoltmeter 178 liegt am Ausgang des Generators 176.
Ein Gleichstromverstärker i80 koppelt das Röhrenvoltmeter 178 an ein Aufzeichnungsgerät 182. Eine Kopplungseinrichtung 183 liegt zwischen der Kabelmeßvorrichtung 116 und dem Aufzeichnungsgerät 182, so daß dieses mit einer der des Meßkabels 20 entsprechenden Geschwindigkeit registriert.
Ein Ausgang des Triggerkreises 174 liegt auch an einem Triggerrückstellkreis 184, der einen Kathodenverstärker 186 enthält, dessen Steuergitter am Ausgang des Kreises 174 liegt und dessen Anode unmittelbar an der positiven Klemme B + der Stromquelle liegt, während seine Kathode über eine Reihenschaltung aus einem ersten Kathodenverstärker 190 und einem zweiten Kathodenverstärker 192 an der negativen Klemme B - einer Stromquelle liegt. Ein erster Kondensator 194 liegt mit seiner einen Klemme an Erde und mit seiner anderen Klemme an dem gemeinsamen Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kathodenwiderstand 190 bzw. 192, und zwar über einen ersten hochohmigen Widerstand 196. Der gemeinsame Punkt zwischen dem ersten Kondensator 194 und dem Widerstand 196 ist mit dem Steuergitter eines Thyratrons 198 verbunden. Ein zweiter hochohmiger Widerstand 202 liegt zwischen der Anode des Thyratrons 198 und der positiven Klemme B. + der Energiequelle. Ein Ausgangstransformator 204 hat eine Primärwicklung 2Q6, die mit ihrer einen Klemme an Erde liegt, während die andere Klemme über einen zweiten Kondensator 208 an der Anode des Thyratrons 198 liegt. Die Sekundärwicklung 21Q des Ausgangstransformators 204 liegt mit ihrer einen Klemme an Erde und mit ihrer anderen Klemme am Eangang des Triggerkreises 174. Ein Dämpfungswiderstand 212 liegt parallel zu der Sekundärwicklung 210 des Transformators 204.
F i g. 3 zeigt ein Zeitdiagramm der Spannungen des Bohrlochmeßgerätes.
Beim Betrieb des Gerätes wird ein elektrischer Impuls0, den der Taktgeber 36 erzeugt, auf den akustischen Sendeimpulsgeber 38 gegeben, der einen spitzen elektrischen Impuls hoher Energie erzeugt, um den Sendewandler 28 zu betätigen, der einen akustischen Impuls T, erzeugt. In der Praxis erzeugt der Sendewandler 28 allerdings eine akustische Welle und nicht einen einzelnen akustischen Impuls, weil in dem Sendewandler 28 immer dann mechanische Schwingungen entstehen, wenn ein elektrischer Impuls t0 aus dem akustischen Sendeimpulsgeber 38 bei ihm ankommt. Kommt der akustische Wellenzug an einem der Empfangswandler 30, 32 aq, dann erzeugt der betreffende Wandler eine entsprechende elektrische Welle an seinem Ausgang. Da nur die erste Welle des elektrischen Wellenzuges benutzt wird, um die Laufzeit der akustischen Energie zwischen den beiden Empfangswandlern 30 und 32 zu messen, wird die Funktionsweise des Bohrlochmeßgerätes unter Berücksichtigung nur der ersten akustischen Welle bzw. des ersten akustischen Impulses T0 des akustischen Wellenzuges und auch nur der ersten elektrischen Welle bzw. eines Impulses t der elektrischen Wellenzüge erläutert. Der elektrische Impuls tQ des Taktgebers 36 wird gleichzeitig über die Sperrdiode 68 auf das Steuergitter der zweiten Triode 60 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 gegeben, der wie ein Stromkreis wirkt, der die Impulse sammelt und seinerseits einen Impuls t0 an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 erzeugt.
Der elektrische Impuls t0 des Taktgebers 36 wird gleichzeitig auch auf den ersten Impuls-Verzögerungskreis 40 gegeben, der etwa 100 Mikrosekunden nach dem Eintreffen des elektrischen Impuls es t0 einen negativen Impuls erzeugt; diese 100 Mikrosekunden sind eine gerade etwas ldeinere Zeit als die zu erwartende Mindest-Laufzeit der akustischen Energie des Sendewandlers 28 zu dem ersten Empfangswandler 30 bei einem Abstand von etwa 9Q cm zwischen den beiden Wandlern. Der negative Impuls betätigt den ersten Torimpulsgenerator 42, um einen positiven Rechteckimpuls zu erzeugen2 dessen Dauer annähernd 6QQ Mikrosekunden beträgt und der auf eines der Steuergitter des Dappelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 44 des Triggergenerators 43 gegeben wird; dieser positive Impuls wird in einer zeitspanne erzeugt, die mindestens dem Zeitintervall zwischen dem am frühesten erwarteten Impuls und dem am spätesten erwarteten Impuls an dem ersten Empfangswandler 3 entspricht.
Der akustische Impuls Tü, der an dem Sendewandler 28 erzeugt worden ist, gelangt durch die Flüssigkeit in dem Bohrloch in die unterirdische Gesteinsschicht iA, wo ein Teil des Impulses von der Schicht 14 auf die ersten und zweiten Empfangswandler 30 und d 32 gebrochen wird. Ein Teil des gebrochenen akustischen Impulses tritt wieder in die Flüssigkeit des Bohrloches ein, um auf den ersten Empfangswandler 30 zu treffen, und zu einem späteren Zeit punkt, je nach den akustischen Eigenschaften der Schicht 14, tritt ein anderer Teil des gebrochenen Impulses von neuem in die Bohrlochflüssigkeit ein, um den zweiten Empfangswandier 32 zu treffen. Die von dem ersten Empfangswandler 30 erzeugte Spannung, die der dort empfangenen akustischen Energie entspricht, wird über das erste Filter 46 auf den ersten Verstärker 48 gegeben. Die erste positive, von dem Ausgang des ersten Verstärkers 48 ausgehende Welle wird auf das zweite der beiden Steuergitter des Thyratrons 44 des Triggergenerators 45 gegeben, um das Thyratron 44 zu zünden bzw. zu ionisieren, Sobald das Thyratron 44 gezündet worden ; ist, erzeugt die in dem Speicherkondensator 53 gespeicherte Energie einen positiven elektrischen Impuls tj an dem Katho denwiderstand 54. Da der Ladewiderstand 50 des ersten Triggergenerators 45 einen hohen Widerstandswert aufweist, kann der Speicherkondensator 52 nicht sofort wieder geladen werden, und infolgedessen können die nachfolgenden positiven Wellen des Wellenzuges des ersten Empfangswandlers 3Q das Thyratrons 44 nicht wieder von neuem zünden. Die Impedanzwerte des Ladewiderstandes 50 und des Speiçherkondensators 52 sind so groß gewählt, daß das Thyratron 44 beim Eintreffen des nächstfolgenden Zuges einer elektrischen Welle gezündet werden kann, die von einem akustischen Impuls T0 eingeleitet worden ist. Der Ausgangsimpuls t12 der von dem Ausgang 1 des ersten Triggergenerators 45 abgeleitet worden ist, umfaßt die gesamte Spannung über dem Kathoden widerstand 54 und wird über den Koppelkondensator 64 auf das Steuergitter der ersten Triode 58 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 gegeben und erzeugt den Impuls t1 an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56.
Ein Teil der Spannung oder des Impulses tt, der an dem Kathodenwiderstand 54 in dem ersten Triggergenerator 45 erzeugt worden ist, wird an dessen Ausgang II abgeleitet und auf den Eingang des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 gegeben. Am Ausgang des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 wird etwa 30 Mikrosekunden nach dem Impuls 250 ein negativer Impuls t0 erzeugt und auf diesen Kreis gegeben; es erfolgt dies 30 Mikrosekunden schneller als die erwartete Mindestlaufzeit der akustischen Energie zwischen dem ersten zu dem zweiten Empfangswandler bei einem Abstand von etwa 30 cm zwischen den Wandlern. Der negative Impuls t0 des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 erzeugt einen positiven Rechteckimpuls mit einer Dauer von etwa Mikrosekunden, der am Ausgang des zweiten Generators 72 auftritt. Der positive Impuls, der in einem Zeitintervall erzeugt wirdt das mindestens zwischen dem Eintreffen des am frühesten erwarteten Impulses und des am spätestea erwarteten Impulses an dem zweiten Empfangswandler 32 liegt, wird, auf das eine Steuer gitter des, Thyratrons 74 des zweiten, Triggergenerators 75 gegeben.
Die Spannungswelle, die an dem zweiten Empfangswandler 32 erzeugt wird und die der akustischen Energie entspricht, die. dort empfangen worden ist, wird iiber das zweite Filter 82 auf den zweiten Verstärker und Schwellwertbegrenzer 84 gegeben. Die erste von dem Ausgang Des zweiten Verstärkers 84 ausgehende positive Welle wird auf das andere Steuergitter des Thyratrons 74 des zweiten Triggergenerators 75. gegeben und zündet das Thyratron 74. Die in dem Speicherkondensator 78 gespeicherte Energie. wird dann über das Thyratron 74 entladen und erzeugt einen Impuls t2 an dem Kathodenwiderstand 80 des zweiten Thyratrons 74 Wie. in Verbindung mit dem ersten Triggergenerator 45 bereits. erläutert worden ist, zünden die nachfolgenden positiven Wellen des Wellenzuges das thyratron 74 nicht von neuem.
Der Impuls t2 wird über die zweite. Sperrdiode 86 auf das Steuergitter der zweiten Triode 60 60 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 gegeben, und erzeugt an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 den Impuls t2. Die drei an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 erzeugten Impulse t0, t1 und t2 werden üver den Koppelkondensator 90 auf das Steuergitter des Wasserstoffthyratrons 88 des Kabel-Impulskreises 87 gegeben. Sobald der Impuls to das Thyratron 88 gezündet hat, wird die in dem Speichernetzwerk 94 angesammelde Energie durch das Thyratron 88 entladen und erzeugt an dem niederohmigen Kathodenwiderstand 104 des Thyratrons 88 einen Impuls großer Amplitude und kurzer Dauer. Sobald die. Energie aus dem Speichernetzwerk 94 entladen ist, wird das Wasserstoffthyratron 88 stromundurchlässig, worauf das Speichernetzwerk 94 von neuem rascli durch die Energie aus der positiven Klemme B+ der Stromquelle über den Ladewiderstand 102. aufgeladen wird, um, das Eintreffen des Impulses tt zu erwarten Die Drosselspule 92 und die negative Gleichspannung, die über die Drosseispule auf das Steuergitter des Thyratrons, 88 gegeben wird, sind vorgesehen, um das Thyratron 88 rasch zu entionisieren. Der Kabel-Impulskreis 87 wirkt auf ähnliche Weise beim Empfang des Impulses tL und auch beim Empfang des Impulses t2. Infolgedessen werden die drei Impulse t0, t1 und t2 hoher Energie und kurzer Dauer an der Kathode des Wasserstoffthyratrons 88 erzeugt. Diese Impulse t0, t1 und t2 werden dann über den Koppel; kondensator 106 auf den Leiter 22 des Kabels 20 gegeben und von da zur Erdoberfläche übertragen.
Da das Kabel 20 eine große Länge von z. B. etwa 6000 m oder mehr besitzen kann und da der Durchmesser des Kabels 20, das nicht nur sein Eigengewicht, sondern auch das der Sonde 18 tragen muß, und nur etwa 8 mm betragen kann, ist das Kabel sehr mit Verlust behaftet und weist eine sehr niedrige Impedanz auf. Das Kabel 20. wirkt im wesentlichen wie ein Tiefpaßffiter. In dem benutzten Frequenzbereich der Impulse t0, t1 und t2 beträgt die Querimpedan@ des Kabels etwa 1 Ohm, während die Längsimpedanz mindestens 70 Ohm beträgt. Um das Maximum der möglichen Energieübertragung durch das Kabel 20 zu erreichen, mulS die genaue Impedanzanpassung sorgfältig beachtet werden. Es ist gefunden worden, daß man mit einem üblichen Kabel und einem geerdeten Kathodenwiderstand von 100 Ohm, der an dem Wasserstoffthyratron 88 liegt und der über einen Kondensator von 0,2 Mikrofarad an das Koaxialkabel 20 angekoppelt ist, einen verhältnismäßig scharfen und ausreichenden Impuls an der Erdoberfläche erhält Der Kondensator mit der Kapazität von 0,2 Mikrofarad hält die 60-Hz-Spannung von dem Kabel fern" und der 100-Ohm-Widerstand stellt eiaenEntladungsweg für den Kondensator dar.
Die B~-Spannung, die Gittervorspaunung und die Heizspannungen für sämtliche Stromkreise in der Sonde 18 werden von der Bohrloch-Energiequelle 108. abgenommen. Die Energie für das Bohrloch wird aus dem Netz. 126., das sich an der Erdoberfläche befindet, über das Kabel 20 in die Sonde 18 und von dem Kabel 20 in die Stromversorgungsanlage 108 über die Spule 114 eingespeist. Die Spule 114 und der Kondensator 112 haben den Zweck, zu verhinden, daß die Impulse t0, t1 und t2 in die Stromversorgungsanlage 108 für das Bohrloch gelangen.
Die Wechselspannung der Stromquelle 126 wird über die Spule 124 auf den Leiter 22 des Kabels 20 ; ferner auf die zweite Primärwicklung 122. und auf die erste Primärwicldung 118 des Transformators 120 gegeben. Die. Primärwicklungen 118 und 122 sind so gewickelt, daß. die Flußänderungen infolge des Stromes in einer der Primärwicklungen durch die in der anderen Primärwicklung ausgeglichen werden, so daß eine Null ergebende Spannung in der zweiten Sekundärwicklung 134 erzeugt wird. nie drei auf das. untere Ende, des Kabels 20 gege benen Impulse to, t1 und t2 kommen an dem oberen Ende des Kabels 20 mit einer Zeitverschiebung an, die gleich der Laufzeit durch das Kabel 20 ist und von den Übertragungseigenschaften des Kabels 20 abhängt. Da. die an der Erdoberfläche empfangenen elektrischen Impulse zeitlich verschoben sind, können sie. von den elektrischen Impulsen t,, t1 und t2 in der Sonde. 18 durch Vergleich mit den entsprechenden elektrischen Impulsen t0', t1' und t5r an der Erdoberfläche unterschieden werden. -Die Zeitverzögerung bei der Impuisübertragung kann für ein Kabel mit einer Länge von etwa 5500 bis 6400 m etwa 50. Mikrosekunden betragen. Da alle drei Impulse um den gleichen Betrag verzögert werden, ist der Zeitunterschied zwischen den Impulsen t0, tal und t2 der gleiche wie zwischen den Impulsen to', t1, und t2.
Die drei am oberen Ende des Kabels 20 empfangenen Impulse to', tut'und werden auf die eine Klemme der ersten Primärwicklungll8 des Transformators 120 gegeben, der mit seiner anderen Klemme über die Kondensatoren 132 und 130 an Erde liegt, um zu verhindern, daß die Impulse t0,, t1, und t2' durch die zweite Primärwicklung 122 hindurchgehen. Außerdem ist in diesem Leitungszweig noch die Spule 124 in Reihe mit der Primärwicklung 122 geschaltet und stellt für die Impulse to', tal'und t2, eine hohe Impedanz dar, um zu verhindern, daß sie durch die zweite Primärwicklung 2 ; des Transforçators 120 hindurchgehen. Der Transformator 120 wirkt als Aufwärtstransformator, so daß man elektrische Impulse to', t1' und t21 genügend großer Amplitude erhält, wenn sie durch das Hochpaßfilter 136 und den Verstärker 138 hindurchgegangen sind, um den Sperroszillator 140 zu betätigen, der an seinem Ausgang scharfe Impulse gleich großer Amplitude erzeugt. Die drei Impulse t0,, tut'und t2, des Sperroszillators 140 werden auf das Steuergitter der ersten Triode 146 des monostabilen Multivibrators 144 über den Koppelwiderstand 150 gegeben. Die erste Triode 1 : 46 des Multivibrators 144 ist normalerweise nicht stromdurchlässig, während die zweite Triode 148 des Multivibrators normalerweise stromdurchlässig ist Wird der erste Impuls der drei Impulse, also der Impuls t0,, auf das Gitter der ersten Triode 146 gegeben, dann wird die erste Triode stromdurchlässig, und die zweite Triode wird stromundurchlässig. Auf diese Weise steigt die Spannung an der Anode der zweiten Triode 148 an und bildet eine positive Welle. Die Zeitkonstante des Multivibrators 144 ist so bemessen, daß die positive Welle an der Anode der zweiten Triode eine Dauer von etwa 1000 Mikrosekunden hat. Der Impuls t0, des Sperroszillators 140 wird ferner über den Koppelkondensator 160 auf den Widerstand 158 und über die normalerweise stromdurchlässige Diode 162, den Nebenschlußkondensator 156 und die negative Klemme B - nach Erde abgeleitet.
Die Diode 162 und der Nebenschlußkondensator 156 haben sehr kleine Impedanzen für den Impuls to', und infolgedessen ist die Spannung an dem gemeinsamen Punkt zwischen dem Widerstand 158 und der Diode 162 sehr klein. Die Spannung an diesem gemeinsamen Punkt ist nicht groß genug, um die negative Gittervorspannung an dem Steuergitter des ersten Kathodenverstärkers 170 zu übertreffen und durch den ersten Kathodenverstärkerl70 auf den Triggerkreis 174 zu wirken. Hieraus ergibt sich, daß der Impuls t0, nicht in den Meßkreis zur Feststellung der akustischen Geschwindigkeit gelangt, der den Triggerkreis 174, den Sägezahngenerator, das Voltmeter 178, den Gleichstromverstärker 180 und das Aufzeichnungsgerät 182 umfaßt. In dem Zeitpunkt, in dem der Impuls t11 des Sperroszillators 140 auf den Widerstand 158 gegeben wird, wird die Diode162 durch die positive Welle der Anode der zweiten Triode 148 des Multivibrators 144 stromundurchlässig. Dementsprechend laufen die Impulseund durch den Koppelkondensator 166 und gelangen auf das Steuergitter des Kathodenverstärkers 170 und erzeugen an dem Kathodenwiderstand 172 des Kathodenverstärkers 170 die Impulse tal'und t2'. Der Widerstand 164 dient zur Vervollständigung des Gleichstromweges für die Diode 162, solange diese stromdurchlässig ist.
Da nun die Impulse t11 und t2' von dem Impuls t01 getrennt sind, können sie auf den Stromkreis zur Messung der verstrichenen Zeit gegeben werden. Wird der Impuls t1' auf den Triggerkreis 174 gegeben, dann erzeugt er an dessen Ausgang eine negative Welle bzw. einen Impuls, der endet, wenn der Impuls t2' ankommt. Die Dauer des negativen Impulses ist gleich der Laufzeit der akustischen Welle durch die unterirdische Erdschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangswandler 30 bzw. 32. Um die Dauer des negativen Impulses des Triggerkreises 174 auf die übliche Weise messen zu können, wird der negative Impuls auf den Sägezahngenerator 176 gegeben, der eine linear ansteigende Welle erzeugt, deren Höhe proportional der Laufzeit des akustischen Impulses von dem ersten Empfangswandler 30 ZU dem zweiten Empfangswandler 32 ist. Da der Generator 176 genau zur Zeit t2' abgeschaltet wird, ist der Spitzenwert der sägezahnförmigen Spannung am Ausgang des Generators 176 proportional der gesamten Laufzeit des akustischen Impulses durch die unterirdische Schicht zwischen dem ersten und zweiten Empfangswandler 30 und 32. Der Spitzenwert der sägezahnförmigen Spannung des Generators 176 wird durch das Voltmeter 178 festgestellt und über den Gleichspannungsverstärker 180 dem Aufzeichnungsgerät 182 zugeführt.
Da der Sendewandler 28 akustische Impulse T0 mit einer Wiederholfrequenz von ungefähr 20 Impulsen pro Sekunde erzeugt, erhält man eine exakte Messung der akustischen Geschwindigkeiten in praktisch sämtlichen unterirdischen Schichten, die von dem Bohrloch durchsetzt werden, indem man die Sonde 18 durch das Bohrloch hindurchbewegt.
Da der Triggerkreis 174 ein bistabiler Stromkreis ist, muß man, um einen Impuls mit der richtigen Polarität auf den Generator 176 geben zu können und damit die gewünschten Zeitintervalle messen zu können, eine gerade Anzahl von Impulsen auf den Eingang des Triggerkreises 174 geben. Wenn der Impuls t1, den negativen Impuls am Ausgang des Triggerkreis es 174 auslöst, jedoch der Impuls t21 nicht am Eingang des Verdoppelungskreises ankommt, besitzt der negative Impuls eine sehr lange Dauer, die erst durch das Eintreffen des nachfolgenden tl'-Impulses beendet wird. Kommt der nachfolgende Impuls t2' an, wird ein positiver Impuls erzeugt, dessen Dauer gleich der Laufzeit des akustischen Impulses durch die unterirdischen Schichten zwischen dem ersten und zweiten Empfangswandler ist. Der Generator 176 würde statt auf den positiven Impuls, der jetzt gleich dem gewünschten Zeitintervall ist, auf den langen negativen Impuls ansprechen. Dieser Zustand würde so lange fortbestehen, bis ein ungerader Impuls ankommen und den Triggerkreis zurückstellen würde, so daß ein Ausgangsimpuls mit der richtigen Polarität erzeugt würde.
Da nun eine beträchtliche Zeit verstreichen kann, bis ein ungerader Impuls an dem Triggerkreis ankommt und diesen zurückstellt, wird der Stromkreis 184 zum Zurückstellen des Triggerkreises benutzt, einen »künstlichen« Impuls t2" in einem Zeitpunkt abzugeben, der kurz nach demAblauf einesZeitintervalls erfolgt, in.dem ein Impuls t2, des zweiten Wandlers erwartet wird, aber nicht an dem Triggerkreis ankommt. Hierzu wird ein positiver Rechteckimpuls zur Zeit t1' an einem anderen Ausgang des Triggerkreises 174 ausgelöst und auf das Steuergitter des zweiten Kathodenverstärkers 186 gegeben. Die an dem zweiten der beiden in Reihe geschalteten Kathodenwiderstände 192 erzeugte Spannung wird über den hochohmigen Widerstand 196 auf den Kondensator 194 gegeben. Die Spannung an dem Kondensator 194 steigt allmählich an, wie man aus der KurveV in F i g. 3 der Zeichnung ersieht. Die Trigger- oder Zündspannung Vt des Thyratrons wird so bemessen, daß sie größer ist als die an dem Kondensator 194 entstehende Spannung, die während der Zeit zwischen den Impulsen tal'und erzeugt worden ist.

Claims

Kommen jedoch die Impulse tal'oder nicht an dem Triggerkreis 174 an, dann steigt die Spannung an dem Kondensator 194 an, bis sie die Triggerspannung- erreicht, dann zündet das Thyratron 198, worauf die in dem Kondensator 208 gespeicherte Energie durch die Primärwicklung 206 des Transformators 204 entladen wird; nach der Zündung wird das Thyratron infolge des hohen Widerstandswertes des zweiten Widerstandes 202 wieder gelöscht. Die Sekundärwicklung 210 gibt dann den Impuls t2" auf den Eingang des Triggerkreises 174 und stellt den Stromkreis für den nächsten Zyklus zurück. Da die Zeit zwischen den beiden Impulsen t1, und t2, nur einen kleinen Teil des gesamten Zyklus in Anspruch nimmt, d. h. das Zeitintervall zwischen zwei aufein= anderfolgenden gegebenen akustischen Impulsen T,, wird ein Störimpuls, z. B. ein solcher, der durch ein-Kratzgeräusch in dem Bohrloch verursacht sein kann und der den Triggerkreis auslöst, die Schaltung nur gering beeinflussen, weil für den Rückstellkreis 184 genügend Zeit zur Verfügung steht, um den Triggerkreis 174 für den nächsten Arbeitszyklus vorzubereiten.

Obwohl nur die elektrischen Impulse t1 und t2 auf die Erdoberfläche übertragen zu werden brauchen, um die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der unterirdischen Schichten zu messen, hat es sich insbesondere im Hinblick auf die Auswertung der Messungen als äußerst zweckmäßig erwiesen, den elektrischen Impuls t0 zur Erdoberfläche zu übertragen. Durch die Darstellung des elektrischen Impulses to an dem Oszilloskop 141 kann der Benutzer des Gerätes die Zeiten ermitteln, zu denen die elektrischen Impulse t1 und t2 relativ zu dem elektrischen Impuls to empfangen werden. Diese Information ist insbesondere dann von großem Nutzen, wenn man beispielsweise einem akustisches Störgeräusch oder eine akustische Dämpfung erkennen und ermitteln möchte. Gegebenenfalls kann die relative Lage der drei Impulse t,, t1 und t2 dadurch aufgezeichnet werden, daß man an Stelle des Oszilloskops 141 eine geeignete Aufzeichnungsvorrichtung verwendet.

F i g. 4 der Zeichnung zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kabel-Impulskreises. Er enthält ein dreipoliges Festkörperthyratron in Form eines gesteuerten Siliziumgleichrichters 214, dessen Anode an ein Impulsformungsnetzwerk 94 und dessen Kathode an den niederohmigen Kathodenwiderstand 104 angeschlossen ist. Die Impulse tt und t2 werden von den Kathoden des Doppel-Kathodenverstärkers 56 der F i g. 1 über den Kopplungstransformator 216 auf die Steuerelektrode des Gleichrichters 214 gegeben.

Die Primärwicklung 218 des Transformators 216 liegt zwischen den Kathoden des Doppel-Kathodenverstärkers 56 und Erde. Die Sekundärwicklung 220 des Kopplungstransformators 216 liegt zwischen der Steuerelektrode des Gleichrichters 214 und einer negativen Spannungsquelle.

An Stelle von zwei Empfängern könnte man auch drei Empfänger benutzen, die Messungen würden dann beim Auftreten der elektrischen Impulse vorgenommen werden, die dem Auftreten eines akustischen Impulses an einem aus den Sende- un&Empfangswandlern ausgewählten Wandlerpaar entsprechen. Man kann auch nur einen einzigen Empfänger verwenden, wobei die Zeitmessung zwischen elektrischen Impulsen vorgenommen wird, die dem Auftreten eines akustischen Impulses an dem Sender und an dem Empfänger entsprechen.

Ist der Durchmesser des Bohrloches sehr groß, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn es in einer ausgewaschenen oder ausgehöhlten Schicht liegt, oder wenn die akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Gesteins sehr klein ist, dann ist der akustische Impuls, der zuerst an dem ersten Empfangswandler empfangen wird, derjenige, der durch die Flüssigkeit des Bohrloches oder die akustische Anordnung hindurchgeht, während der durch das Gestein laufende Impuls wegen der Aushöhlung über die erwartete Ankunftszeit hinaus verzögert wird. Etwaige sich hieraus ergebende Fehlmessungen werden durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vermieden.

Patentansprüche: 1. Elektronische Schaltungsanordnung für ein Bohrlochmeßgerät, das über eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten elektroakustischenWandlern in einer langestreckten Sonde verfügt, die über ein einadriges Kabel mit dem oberirdischen Stromkreis verbunden ist, zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei elektrischen Impulsen, die auf einen ersten elektrischen Impuls im Zuge einer Impulsreihe folgen, die in einem unterirdischen Stromkreis des Bohrlochmeßgerätes beim Auftreten von akustischen Impulsen an den jeweiligen Wandlern erzeugt wird und die im oberirdischen Stromkreis mittels eines Impulsüberwachungskreises ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsüberwachungskreis (141), der alle drei Impulse (tn'; t1t ; t2') empfängt, parallel zu einem Impulslöschkreis (142) geschaltet ist, dessen Ausgang an einem Stromkreis (174 bis 184) zur Messung des zeitlichen Abstandes zwischen den elektrischen Impulsen der Impulsreihe angeschlossen ist, und der den ersten elektrischen Signalimpuls löscht.
2. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulslöschkreis (142) einen Gatterstromkreis (154, 156,162) enthält, der an einen monostabilen Multivibrator (144) angeschlossen ist, der den Gatterstromkreis für den ersten Impuls stromdurchlässig und für die nachfolgenden Impulse einer Impulsreihe stromundurchlässig macht, und daß der Gatterstromkreis sowie der monostabile Multivibrator mit ihren Eingangsklemmen über impulsformende Stromkreise (140, 138, 136, 134, 118) an das einadrige Kabel (20) angeschlossen sind.
3. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gatterstromkreis eine Diode (162) enthält, die normalerweise stromdurchlässig ist und infolgedessen dem ersten Impuls einen Strompfad niedriger Impedanz darbietet und die mit Hilfe des monostabilen Multivibrators (144) stromundurchlässig gemacht wird, sobald der erste Impuls ankommt, um den nachfolgenden Impulsen einer Impulsreihe eine hohe Impedanz darzubieten, und daß die Diode (162) über einen Kondensator (166) an die Steuerelektrode eines Verstärkers (170) angeschlossen ist, um die nachfolgenden Impulse durchzulassen.
4. Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis zur Messung des zeitlichen Abstandes einen Triggerkreis (174) enthält, der an den Ausgang des Impulslöschkreises (142) für den ersten Impuls angeschlossen ist und auf die beiden Impulse anspricht, daß ein Triggerrückstellkreis (184) einen Thyratronkreis (198) enthält, dessen Steuergitter auf eine Triggerspannung mit vorgegebenem Wert anspricht, und ein Ausgang des Triggerkreises (174) über eine Kathodenfolgeschaltung 86) angekoppelt ist, die eine veränderliche Spannung erzeugt, die den vorgegebenen Wert nach einem Zeitintervall erreicht, währenddessen die Erzeugung des dritten Impulses erwartet werden kann, und daß der Ausgang (210) des Thyratronkreises (198) mit dem Eingang des Triggerkreises (174) verbunden ist.
5. Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der unterirdische Stromkreis (Fig. 1) an das einadrige Kabel (20) über einen Kabel-Impulskreis (87) angeschlossen ist, der einen Ausgangskreis (106) niedriger Impedanz enthält, und daß der Kabel-Impniskrels (87) mit seinem Eingang an impulsformende Schaltelemente (56) des unterirdischen Stromkreises angeschlossen ist.
6. Elektronische Schaltungsanordnung nach AnspruchS, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabel-Impulskreis (87) ein Netzwerk (94) für die Impulsformung sowie einen Thyratronkreis (88) aufweist.
7. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6"dadurch gekenuzeichnet, daß der Thyratronkreis, ein Festkörperthyratron (14) enthält
8. Elektrnnische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7a dadurch gekennzeichnet, daß die impulsformenden Schaltelemente (56) einen Doppel-Kathodenverstärker (56) enthalten, dessen beide Steuergitter zum Empfang der elektrischen Impuls dienen.