DE1498002A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der von Tiefbohrungen durchteuften Erdformationen mittels akustischer Wellen - Google Patents

Description

DIPL.-INQ. M.SC. DlPU-PHYS. DR.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH -| 498QQ2

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 54 4t>2 4. Hai 1965 ν - sahn

Pan Gao Atlas Corporation, Houston/Texas, UoS.A,

Verfahren und Vorrichtung eur Untersuchung der von Tiefbohrungen durchteuften Brdformationen mittels akustischer Wellen

Die Erfindung bezieht aioh auf ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum akustischen Hessen, insbe sondere sum Aufzeichnen und Analysieren von Informationen, die bei Bohrungen erhalten werden, wobei akustische Energie in Form von Impulsen von einem Sender durch die Bohrloch- verkleidungen oder diesen benachbarten Erdformationen auegeaandt und von einer oder mehreren in bestimmten Abständen von dem Sender angeordneten Empfängern empfangen wird.

Beim Messen von Bohrsohächten mit Hilfe von akustischer Energie, die durch die Erdformat ionen hindurchgeschickt

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wird, gibt es mehrere verschiedene Arten von Informationen, die nützlich sind,,' Zum Beispiel wurde eine Art der Messung in großem Umfang angewendet, die auf eine übliche Geschwindigkeitsmessung hinausläuft, bei welcher die Laufzeit vom Sender zum im Abstand davon angeordneten Empfänger in verschiedenen Bohrtiefen gemessen wird. Da der Abstand konstant ist, können Änderungen in den gemessenen Laufzeiten den sich ändernden Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Formationen zugeschrieben werden» Solche Messungen wurden entweder mit einem einzigen Empfänger oder aber -mit einem Paar im Abstand voneinander angeordneten Empfängern durchgeführt, wobei die Differenz zwischen der Laufzeit des akustischen Impulses zu dem entfernteren Empfänger und die Laufzeit zu dem nahen Empfänger gemessen wurde. Die Vorteile der Messungen mit zwei Empfängern sind bekannt. Derartige ffeschwindigkeitsmessungen werden im allgemeinen nur so durchgeführt, daß nur die am Empfänger ankommende Anfangsenergie verwendet wird, die dem ausgesendeten Impuls folgt, während die darauf folgende Energie ausgeschieden oder vernachlässigt wifd_o

Andere Messungen, die meist als Amplituden=· oder Dämpfung s-< messungen bezeichnet werden, werden durch Messen der

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Amplitude der akustischen. Impulse durchgeführt, die an dem im Abstand von der impulsquelle aufgestellten Empfänger eintrifft» Im allgemeinen werden diese Amplituden- oder Dämpfungsmessungen so durchgeführt, daß die Amplitude einer gegebenen Schwingung oder HaIbschwingung der eintreffenden Energie gemessen wird_r während die restliche signalenthaltende am Smpfänger eintreffende Energie Information vernachlässigt wird_o Gewöhnlich wird au dieser Messung die erste Schwingung oder Druß^velle gemessen=

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Gerät zu schaffen, das den gesamten Signalzug, der an einem oder mehreren unterirdischen Empfängern eintritt„ auswertet, um somit eine Vielzahl von Informationen, die zur Analysierung der unterirdischen Formationen nützlich ist, zu erfassen_o

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht bei einem solchen Verfahren und einem derartigen Gerät darin, gleichzeitig die Amplitude der Oruckwelle oder des am unterirdischen Empfänger eintreffenden Anfangssignals aufzuzeichnen und hinterher diesen Informationsaug im einzelnen hinsichtlich verschiedener Parameter zu untersuchen.

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Es wurde kürzlich gefunden, daß der Energiesug, der /bei jedem Empfänger nach dem Aussenden des Sendeimpulses eintrifft, umfangreiche nützliche Informationen enthält j, die "beim Analysieren oder bei der Bestimmung der Eigenschaften der unterirdischen Erdfortnationen wert-YoIl ist. I_n dem US-Patent 3 093 810 ist ein System zum Aufzeichnen des gesamten Energiesuges in verschiedenen Dichten gezeigt, um die Analyse durchzuführen_n Eine Aufzeichnung der unterschiedlichen Dichte ist Torwiegend des= hall) nützlich, um in üblicher IOrm Amplitudenänderungen darzustellen jedoch werden bei der Darstellung in schwarz grau-=weiß geringe Amplitudenänderungen, die von großer Bedeutung sein können^ kaum oder gar nicht unterscheidbar·, Darüber hinaus zeigt eine derartige Aufzeichnung der unterschiedlichen Dichte sehr wesentliche Eigenschaften, ZoBo Änderungen in der Wellenform, nicht aufj, und es werden Parameter, ζ„B. Frequenz oder Schwingungsdauer der aufgezeichneten Energie,, nur sehr schwer unterscheidbar „ Ein gewöhnliches Oszillogramm zeigt die Energie in einer Form, die sämtliche Messungen dieser Parameter gestattet ο In der US-Patentschrift 2 708 485 wird ein System beschrieben, .welchem die am Empfänger ankommende Energie oszillografisch aufgezeichnet wird, .wobei aber nur die Arifangsenergie benutzt wird, um über die Laufzeit

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oder die Geschwindigkeit Aufschluß au geben, während die restlichen Signale unbeachtet bleiben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird d gelöst, daß eine akustische Meßanordnung vor^eBeheu ist, bei der ein Untertagegerät über ein Vielfachkabel nut der Meß- und Anzeigeeinrichtung auf die k'x'd oberfläche vorbanden ist. Paa TJntortugegerät enthält einen Sosäerumsetzer und drei Detektoren oder !ümpfangsusawaiiäier. die alle in einer bestimmten im Abstand voneinander gehaltenen Anordnung vorgesehen sind„

Das Untertagegerät enthält ferner einen Empfänger« schaltkreis, der von der oberirdischen Einrichtung zum Betrieb der Detektoren gesteuert wird. Dieser Schaltkreis ist so ausgelegt und angeordnet, daß irgendeiner dieser Detektoren einzeln an den Verstärkerstrorakreis im Untertagegerät angeschlossen werden kann. Statt dessen können die Detektoren auch paarweise in Betrieb gesetzt werden, um somit Messungen an awei iSrapfängern. mit drei verschiedenen Abständen zu gestatten. Die unterirdischen Verstärkerstromkreise sind durch das Yielfachkabe! an die oberirdische Keß- und Anzeigevorrichtung, die auch einen Synchronisierini puls von dem Sende impulskreis

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erhält, angeschlossen, Die oberirdische Anordnung kann selektiv in Bebrieb gehalten v/erden, ura eine von drei verschiedenen Meßmöglichkeiten entsprechend den Synchronisierimpulsen und den an einem oder mehreren der Detektoren ankommenden akustischen Wellen vorausehen, wenn das Unterlagegerät durch den Bohrschacht hiadu^hgefuhrt wird ο Die erste dieser Aufzeichnungen iat eine übliche "Zwei Empfänger" - Geschwindigkeitskurve, die dui'ch .Einschaltung von swei unterirdischen Detektoren erhalten wird und durch Messung der Laufzeit der akustischen Welle infolge des Abstandes zwischen den beiden Detektoren gewonnen vvird_o Dieses wird dadurch erreicht, daß man zunächst ein erstes Signal erhält, das die Laufzeit der akustischen v/elle von der Signalquelle zu dem entfernten Detektor darstellt, und ein aweites Signal, daa die Laufzeit von der Quelle zu dem näher liegenden Empfänger wiedergibt und schließlich die beiden Signale subtrahiert» Wie eingangs geschildert wurde, können drei verschiedene Abstände von zwei in. Betrieb genommenen Detektoren durch Betrieb des unterirdischen Empfangerschaltkreises gewonnen werden« Die zweite Messung ist eine sogenannte "Zementverbindungsmessung" (cement bond log) und wird dann erhalten, wenn nur einer der unterirdischen Empfänger in Betrieb ist. Hierbei

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wird die Geschwindigkeitskurve eines einzigen Empfängers gemessen, der die Laufzeit der akustischen Welle su dem in Betrieb genommenen Detektor aufschreibt und gleichzeitig· eine Amplitudenkurve aufzeichnet, die die Amplitude der an jenem Detektor ankommenden akustischen.

Energie darstellt» Es können wiederum drei verschiedene

Abstände des Detektors von dem Sender durch Inbetrieb-= β nähme des Empfängerschaltkreises vorgesehen 'werden.

Schließlich gibt es noch ein Verfahren? das sogenannte "Safalog^!I~Yf-rfahren, das mit zwei in Beti'ieb genommenen unterirdischen Detektoren durchgeführt wird«. Diese Messung bedient sich einer Amplitudenkurve-■eines-ersten

die
einzelnen Empfängers,/die Amplitude der akustischen Welle darstellt, die an einem der beiden in Betrieb genommenen Detektoren ankommt und die gleichzeitig mit einer zweiten Kurve aufgezeichnet wird, die die Differenz ä zwischen den Amplituden der an den beiden anderen betriebenen Detektoren ankommenden akustischen Wellen darstellt« Hier werden wiederum die drei wirksamen Abstände zwischen den beiden aktiven Detektorendurch Inbetriebnahme des Empfangerschaltkreises gewonnen-,

Wenn der Empfängeraus Zahlschalter so gesc'.ialtei ist, nur einer-der unterirdischen Empfänger betrieben-wird,

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und wenn das System so ausgelegt ist, daß eine Geschwindigkeitsmessung oder Kurvendarstellung vorgenommen wird, kann ein Paar von Meßgeräten in der oberirdischen Einrichtung installiert sein, um entweder die Amplitude der Druckwelle oder der Anfangsenergie oder das Maximum der Amplitude des an dem in Betrieb genommenen Empfänger ankommenden Energieauges zu messen. Die Meßgeräte können getrennt aufzeichnende Galvanometer einer einzigen Meßanordnung sein_c Darüber hinaus kann der an dem in Betrieb genommenen Empfänger ankommende Energiezug über ein Kabel einem Ossilloskop in der oberirdischen Meßeinrichtung.zugeführt werden und es kann oine Kamera vorgesehen sein, um die auf dem Schirm des Oszillokops erscheinenden Bilder aufzunehmen. Die Kamera kann periodisch durch eine entsprechende Zoitsehalteinrichtung betätigt werden, um 3ilder in einheitlichen Zeitintervallen aufzunehmen» Statt dessen kann die Kamera aber auch mit dem Auf- und Abwickeln des Kabels gekoppelt worden, so daß Bilder dann aufgenommen werden, wenn das Untertagegerät in vorbestimmten Tiefen in dem Bohrschacht eintrifft. Die Bilder können analysiert werden, um Informationen, wie beispielsweise die Scheitelamplitude der Druckwelle, das Maximum

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der Amplitude des gesamten Signalzuges, die Frequenz oder Periode des empfangenen Signals, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, die Beständigkeit des Signals, die Gesamtenergie im Signalzug oder ähnliches, festzustellen,,

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, in welcher Ausführuhgsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt sind_o Es zeigens

Fig. 1 eine schemafcische Darstellung eines in der Erdkruste vorgesehenen Bohrschachts, mit einem darin angeordneten Untertagegerät, sowie einer oberirdischen Meßeinrichtung,

Pig. 2 A und 2 B

schematische Blockschaltdiagranime, wobei Fig. 2 A das Untertagegerüt und Fig. 2 B die oberirdische Einrichtung zeigt,

Fig« 3 eine Anzahl typischer Wellenformen, die zur Erklärung des Betriebs des in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Systems nützlich sind.

Innerhalb eines Bohrschachts 11 befindet sich ein Untertagegerät 10, das von der Erdoberfläche in die Erde

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hineinragt. Während das Gerät 10 zum Ausmessen entweder eines vollständig verkleideten Schachtes oder eines offenen Loches verwendet werden kann, ist der obere Teil des Bohrschachts 11 von einer Vielzahl von Scha» lungsteilen 12 ausgekleidet, die miteinander, a.B₀ durch Schraubverbindungen, verbunden sind_e Der untere Teil des Bohrloches 11 ist als offenes Loch dargestellt^ und enthält die übliche Bohrlochflüssigkeit.

Das Untertagegerät 10 enthält einen Sender oder Sendeumsetzer 13, einen Empfängerteil H, der die elektronischen Teile des Werkzeugs enthält, einen ersten Empfängerumwandler oder Detektor 15, einen zweiten Empfängerumwandler oder Detektor 16, ein akustisches Isolationsteil 17, welches die Detektoren 15 und 16 voneinander trennt und elektrisch isoliert, einen dritten Empfangsumwandler oder Detektor 18 und ein anderes akustisch isolierendes Teil 19, das die Detektoren 16 und 18 voneinander trennt und elektrisch isoliert. Das Untertagegerät enthält ferner eine Spitze 20 am Boden und eine Kabelverbindung 21 im rückwärtigen Teil, das mit einem Kehrfach kabel 22 gesichert ist, das sich durch das Bohrloch an die Erdoberfläche erstreckt. Die

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Teile «des Untertagegerätes können innerhalb von im allgemeinen zylindrischen Gehäusen eingebaut sein, die mit nicht gezeichneten Schraubverbindungen an beiden Enden versehen und hintereinander in bekannter Weise angeschlossen sind. Geeignete elektrische Verbindungen sind zwischen den verschiedenen Teilen vorgeseshen, diese sind aber üblich und deshalb nicht in der Zeichnung dargestellt.

Das Kabel 22 kann eine Anzahl von einzelnen Leitungen enthalten, die zum Herstellen der gewünschten elektrischen Verbindungen zwischen den unterirdischen und den oberirdischen, insgesamt mit 23 in Pig- 1 bezeichneten Gerätschaften erforderlich sind» Bei dem Ausführungs-= beispiel ist ein Viererkabel vorgesehen, das vier innere Leitungen, 24, 25, 26 und 27 (Figo 2) enthält, die gegeneinander isoliert sind und innerhalb einer äußeren leitenden Hülle 28 untergebracht sind„ Die äußere Hülle ist sowohl in dem unterirdischen Gerät 10 ala auch - v.'ie bei 28a angezeigt ist - an den oberirdischen Gerätschaften geerdet, um eine gewöhnliche Masseverbindung herzustellen. Auf der Erdoberfläche wird das Kabel 22 durch eine motorangetriebene Bewehrung 2g gezogen, die

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mit geeigneten Antriebsmittel!! sum Herunterlassen oder Hochziehen des Uritertagegeräts 10 innerhalb des Bohrschachte zusammenwirkt = .

Die elektrischen Stromkreise des unterirdischen Werkzeugs sind an eine in den Oberflächengerätsohaften angeordnete ™ Wechselstromquells von 60 Hz über Kabelleitungen, z„B« das Kabel 26 oder die Kabel 26 und 27 - falle eine Viererleitung gewünscht ist - angeschlossen, wobei die Rückverbindung natürlich durch die geerdete äußere Hülle vorgesehen ist. Der Strom wird dem Untertagegerät durch eine Viererleitung zugeführt,,

vVie in Pig- 2 gezeigt ist, enthält der Senderteil des Systems zusätzlich zu dem vorgenannten Sendeumsetzer 13 einen Impulskreis 31$ der eine synchronisierte Niederspaiiäungs-Starkstromquelle darstellte Der Sendeumsetzer wird von dem Impulsstromkreis 31 gesteuert und sendet Impulse bei einer geeigneten Wiedernolungsfrdquenz aus, ZoBc bei einer Frequenz von ungefähr 1'5 bis 30 Impulsen pro Sekunde« Es wird beispielsweise eine »iederholungsfrequenz von 15 Impulsen pro Sekunde vorgeschlagen, so daß dann eine Periode von 56, 5 Millisekunden zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen vorliegt„ Selbst bei einem

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maximalen Abstand des Empfängers von dem Sendeumsetzer gelangt die ganze akustische Energie, die für die Erzeugung der Geschwindigkeits— und Amplitudenkurven notwendig ist, innerhalb eines Intervalls von nur wenigen Millisekunden zwischen der Aussendung des akustischen Impulses von der Sendequelle auf den Detektor. Infolge-dessen werden die Geschwindigkeits- und Amplitudenmessungen während der ersten Millisekunden einer jeden Periode gemacht, so daß diese ersten Millisekunden als das Meßintervall einer jeden Periode bezeichnet werden können. Der Sendeumsetzer 13 und der daran angeschlossene Im puls st. rom™ kreis 31 enthalten eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Anzahl von getrennten akustischen oder elastischen Impulsen, die durch die Bohrlochflässigkext an die Bohrlochformationen oder die Verkleidungsteile 12 gekoppelt werden.

Der Impulskreis 31 enthält einen Kippschwingungsoszillator 32, der einen Transistor enthält, der das Betriebspotential von einer Niederspannungsätromquelle 34 erhält „ Die Niederspannungsstromquelle wird durch eine Wechsel-Stromquelle gespeist, die über die Kabelleitung 26 an die Stromquelle 30 angeschlossen ist„ Die Ausstrahlung des Umsetzers wird durch einen Siliziumgesteuerten

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Gleichrichter 46 ausgelöst, der dadurch stromleitend gemacht wird, daß ein Erregerimpuls von dem Hppschwingungsosaillator 32 an seine Steuerelektrode angelegt wird.

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Das ara Silizium-gesteuerten Gleichrichter 46 erscheinende Signal- wird als ein Synchronisierimpuls angewendet, ■ um die Zeitabstande zwischen den restlichen Stromkreis— komponenten in dem Untertagegerät 10 und der oberirdischen Gerätschaft 23 mit dem Betrieb des Sendeumsetzers.13 in Gleichklang zu bringen. Dieser Synchronisierimpuls wird durch die Spitze 46a in der Fig_c. 3 dargestellt und erscheint zwischen den Leitungen 26 und 27. Dieses Signal ist an die oberirdische Gerätschaft angeschlossen, um eine später beschriebene Zeiteinstellung zu bewirken. Ein Synchronisierimpuls wird offensichtlich bei jeder Ausstrahlung des Sendeumsetzers entwickelt.

Ein Schaltkreis, der aus einem bistabilen Multivibrator und einem Paar elektronischer Schalter 66 und 67 besteht, enthält in dem unterirdischen Werkzeug zwei wechselweise betriebene Empfangskanäle. Jeder Synchronisierinipuls ist wirksam, um den bistabilen Multivibrator 64 von ein^r Schaltstellung in die andere zu schließen. Der bistabile

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Multivibrator steuert die elektronischen Schalterpaare 66 und 67, die ihrerseits die Leitfähigkeit von eicsni Paar Empfangskanäle steuern. Die elektronischen Schalter 66 und 67 sind üblicher Konstruktion und so an den bistabilen Multivibrator 64 angeschlossen, daß der elektronische Schalter. 66 leitend ist„ wenn eier Multivibrator in der einen seiner beiden Schaltlagen ist, während der Schalter 67 dann leitfähig ist* wenn der Multivibrator sich in seiner anderen Schaltl-age befindet <, Somit schließt jeder der Schalter 66 und 67 während abwechselnder Perio·= den einen Kontakt» Der Signaleingang an den elektronischen Schaltern 66 und 67 wird durch ferngesteuerte Schrittschalter 70 gesteuert _t der Teil eines Ιϊώ plungers ehalt ~ systems ist„ Die ersten drei Lagen des Schalters 70 können als die beiden Empfangslagen angesehen werden; denn wenn der Schalter sich in einer dieser drei Lagen befindet, wird ein erster Empfänger an einen der elektronischen Schalter 66 und 67 angeschlossen, während a-in zweiter Empfänger an den anderen elektronischen Schalter angeschlossen wird. Diese drei Lagen werden benutzt-, wenn die Zweiernpfänger-Geschwindigkeitsmessung durchgeführt oder auch wenn die "Satalog"-Sehaltung angewendet wird. Die drei Schaltlagen ermöglichen einen Betrieb bei veränderten wirksamen Abständen zwischen, den beiden aktiven

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Smpfängern. .Die letzten drei Lagen des Schrittschalters können als eine Sin^lerapfUngeriage bezeichnet werden,

der gleiche
da Jeweils/Ernpfanger an beide elektronische Schaltox" angeschlossen ist« wen.! der Stufenschalter in eine dieser drei. Lagen gebracht ist"« Diese drei Lagön Werden während des Betriebs uer "Ce .!ent bond "-Mes sun/»· benutzt und gestatten eine iinclex-uui- des wirksamen Äbätandes zwischen der SendeqnölLs und lern aktiven Empfänger«. Zu- einem ,später noch erläuterten Zne ;k wird die Bingangsspannung an einen der aXektroEiiöcheii ijjhalter. s.B. den Schalter 6?₅ durch einen festgestellten." DämpfungsstroiEfcreis 36 anpeleg'tj, der die Signalaraplitude -iuf eine bestimmte lint er harmonise he" der Amplitude des Kiaßari^ssignals am elektronischen Sehalter 66 reduziert. Wem die elektronischen Sehalter 66 und durch den bistabilen Multivibrator 64 leitfähig -sind"/ bewirken diese, daß StBuersignaie von den betriebenen Sm= pfängerumsetzern an einen DamPfundsschalter angelegt werden» die als Gan£2S mit der Bezugsziffer 75 bezeichnet ist," Dieser ..steuert fen Yei tä^cungsgrad eines Verstärkungsstromkreises" 7-6_s um die demodulierten Signale an. die oberirdische Gex'ätsc'jaft" su übertragene Ein typischer .Wellenzug eines deraoiulierten Signals wird durch die Wellenform 76a in der.Fig, 3'■ dargestellt^■'-wobei'".die ' Druckwelle oder erste ankommende Welle durch den Buch-

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stäben C gekennzeichnet ist« Der Verstärker 76 enthält einen Eingangsverstärker und eine Phasenumkehrstufe sowie einen üblichen Hetzverstärker 81, Der Verstärkun,srs-grad des Verstärkers 76 ist durch den Schaltkreis"'- 75 auf eine hohe Stufe geschaltet oder arbeitet in einem" Bereich, bei welchem der durch den Elektro-nenschalter gerade unterhalb des Sättigungsber-eichs arbeitet.

Im allgemeinen wird der Verstärker nach der ersten Periode oder Druckwelle Sättigung erreichen,, wie sich aus der Wellenform 76 in Fig« 6, die den Ausgang des Verstärkers darstellt, ergibt. Der Dämpfungskreis 36 reduziert das durch den Schalter 67 hindurchgegangene Signal in einem solchen Ausmaß, daß der Verstärker 76 nicht durch irgendein, durch den Sehalter 67 hindurchgegangenes Signal Sättigung erreichtο Bin Dämpfurtgsverhältnis von 6 zu 1 wird zur Erzie'lung dieses Ergebnisses als ausreichend angesehen = Der Ausgang vom Verstärker 76 wird zu dem oberirdischen Gerät 23 geführt, um dieses im folgenden näher beschriebene Meß- und Anzeigegerät zu betreiben. Indem man ein anderes Dämpfungsnetzwerk anstelle des Dämpfußgskreises zwischen den Schalter 70 und den ersten elektronischen Schalter 66 anschließt, wird es möglich sein, ein ge-

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dämpftes Signal (wie es mit 35 in der Pig« 3 angezeigt ist) von zv/ei der Detektoren 15 und T6, 16 und 18 oder . 15 und 18 zu erhalten, wenn der Schritt- oder Auswahlschalter 70 sich in einer der Zweiempfängerlagen befindet, wie es eingangs dargelegt wurde_o Indem das oberirdische Meßgerät für die Geschwindigkeits- oder Intervallzeitmessung ausgelegt ist, wird es dann möglich sein, eine Intervallzeitraessung der Scherwelle (wenn Scherwellen vorhanden sind) durch Messung der Ankunftszeiten der ersten Scherwelle aufzuzeichnen, die durch den Buchstaben B an der Wellenform 35 in Hg* 3 a&gedeutet ist«.

Sine Elektrode 93 mit Eigenpotential wird vorzugsweise durch das Kabel 22 in einer Lage gehalten, die von der Kabelverbindung 21 im Abstand gehalten ist, um natürliches Massepotential in bekannter Weise zu sammeln,, Die Eigen-. Potentialelektrode ist vorzugsweise über die Kabelverbindung 24 mit einem Satz von EigenpotentialmeßkreiBen verbunden, der einen Meßschreiber 95 antreibt₀ Dieser Meßschreiber 95 kann einer der üblichen Art sein und enthält ein Aufschreibmittel, das gleichzeitig mit dem Anheben oder Herabsenken des Untertagegerätes 10 innerhalb des Bohrschachts angetrieben wird, so daß das Eigenpotential

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oder natürliche Massepotential als eine Funktion der Tiefe des unterirdischen Werkzeugs aufgezeichnet wlrdo Der Synchronisierimpuls und der Ausgang am Verstärker 76 erscheinen zwischen den. Leitungen 26 und 27 und werden an der Erdoberfläche verwertet, um entwederin der "be— ■ kannten Weise eine Zwei^Empfängergeschwindigkeitsmessung vorzunehmen, eine Satalog-Messung der eingangs beschriebenen Art, bei welcher die Amplitudenkurve eines eina-elnen Empfängers gleichzeitig mit einer die Amplitudenäifferens zwischen den an den beiden aktiven Detektoren ankomraenden Signalen darstellenden Kurve aufgeschrieben wird, oder eine "cement-bond-Messung"^ bei welcher die Geschwindig-' keitsraessung eines einzelnen Empfängers gleichzeitig mit der Amplitudenmessung eines einzelnen Empfängers auf= gezeichnet wird„ Wie eingangs ausgeführt wurde, kann die "cement-bond-Messung" nur durchgeführt werden., wenn der Schrittschalter 70 in einer der beiden "Ein-Empfanger-Lagen" geschaltet ist, während die beiden anderen Messungen nur dann vorgenommen werden können, wenn der Schrittschalter in einer der beiden "Zwei-Erapfänger-Lagen¹¹ geschaltet ist. Die oberirdische Gerätschaft ist ßo ausgelegt, daß die gewünschte Messung durch einen handbetätigten AuBwahlschalter durchgeführt werden kann, der eine Anzahl

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von Schaltsektoreη 116, 117? 118, 119, 120 und 120a aufweist , die jeder einen Schwenkarm besitzen, der in drei verschiedene Lagen bewegbar ist, nämlich in die durch S gekennzeichnete "SATALOG-Lage", eine durch V In Fig. 2 markierte GesGhwindigkeitsmesslage und eine "eeraent~bond~ Lage"; die mit C bezeichnet .ist« Für den vorliegenden Fall sei angenommen,- daß der Sehalter sich in der "SASALOG"-= oder S-Lage befindet und die anderen beiden Sahaltlagen nicht beschrieben werden_o Die Qberfläohengerätschaft wurde so konstruiert _r daß eine erste Kurve oder Anzeige erscheintj die die Amplitude des Signals der Druckwelle darstellt und eine zweite Kurve oder Anzeige, die die Scheitelamplitude der Welle 35 darstellt, die am Detektor ankommt ο Um diese Ergebnisse mit dem Auswählschalter in der "SATALOS-LagB" zu erzielen, wird der Sehalter 70 in eine der Ein-Empfänger-Lagen geschaltet, um denselben Detektor 15 an die elektronischen Schalter. 66 und 67 anzuschließeno -

An der Erdoberfläche werden die Synchronisierimpulse und der Ausgang des Verstärkers 76 an einen Kopplungstrans= forraator 96 angelegt, dessen zweiter Anschluß zur übertragung von Steuersignalen an einen Zeitgeberkanal 97

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(timing channel), einen Meßkanal 98 und einen Amplitudenmeßkanal 99 angelegt ist. Der Zeitgeberkanal 97 tastet sowohl den Amplitudenmeßfcanal 99 und den Meßkanal 98, so daß diese Kanäle nicht aufgrund von Nebengeräuschen oder ähnliches betrieben werden und somit auf Signale ansprechen, die von dem Senderumsetzer 13 an den unterirdischen Detektoren ankommen« Zusätzlich arbeiten der Zeitgeberkanal 97 und der Meßkanal 98 mit dem Ainplitudenmeßkanal zusammen, um die Druckwelle und den obenerwähnten Scheitel der Amplitude zu erzeugen» Insbesondere wird der Ausgang des Transformators 96 an ein Potentiometer 100 zur Steuerung des Verstärkungsgrades angelegt-* der seinerseits an einem ersten Kathodenverstärker 101 üblicher Konstruktion angeschlossen ist. Der Kathodenverstärker isoliert den Kanal 98 und den Amplitudenkanal 99 von dem Zeitkanal und von dem im Untertagegerät angeordneten Ver~ stärker_o Der Ausgang des Kathodenverstärkers 101 wird an ein Potentiometer 102 angeschlossen, der die Größe des Eingangssignals am Kanal 98 steuert, während dieser Ausgang ebenfalls auch an ein Potentiometer 103 angelegt ist, der die Amplitude des Eingangssignals zum Amplltudenmeßkanal 99 steuert» Die Potentiometer 102 und 103 erzeugen Steuersignale für ein Paar von Verstärkern 104 bzw_o 105

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üblicher Bauart_o Beim Ein~anpfanger-~Meßbetrieb wird der gleiche Detektor an den Verstärker 76 während der gesara- , ten Perioden angeschlossen, aber der Ausgang des Verstärkers wird während aufeinanderfolgender Halbperioden abwechselnd gesättigt (vgl. Wellenform 76a) und gedämpft (vgl_o Wellenform 35)° -3er Verstärker 105 erzeugt Steuersignale für einen Impulsverbreiter 106 und einen Kathodenverstärker 107j der mit einem 1,5~Millisekunden-Impulsformer und einer Torschaltung 118 zusammenwirkt, um für die Amplitudenmessung Gleichstromimpulse zu erzeugen.

Die 1,5-Millisekunden-Signalformer und Torschaltkreis sind wirksam, um ein sehr breites Torsignal, das mit in ■Pig. 3 mit 128b bezeichnet ist, an den Impulsverbreiterer 106 und den Kathodenverstärker 107 anzuschließen, und einen sehr breiten Gleichstromimpuls 106 und 107 zu erzeugen, dessen Breite demjenigen des Torschaltsignals entspricht und eine Amplitude aufweist, die proportional dem Scheitelwert der Amplitude desjenigen Signals ist, der am Detektor 15 während des Intervalls der Tastsignale 128b ankommt ο

Der verbreiterte Impulsausgang vom Kathodenverstärker wird während sämtlicher Halbperioden über eine große

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Kapazität 110 an. ein Verbrauchernetz angeschlossen„ Die große Kapazität hält den Gleichstromschwellwert während einer langen Periode der weiten Tastintervalle an. Das Netzgerät 109 erzeugt Steuersignale, die den getasteten Gleichrichtern 111 und 112 zugeführt, werden, wenn der Auswahlsehalter in der "SATAL00"-lage ist.. Jeder dieser Gleiehrichterstromkreise 111 und 112 enthält ein Paar nicht dargestellte Trioden, um den Speicherkotidensator 111a oder 112a auf eine Spannung aufzuladen, die proportional der Amplitude des Gleichstroinsignals ist, das durch die Schaltsegmente 116 und 11? des Schalters angelegt v/ird. Palis die Amplitude des Gleichstroinsteuerslgnals geringer Ist, als die dann vorhandene Spannung an dem Speicherkondensator, wird eine der Trioden beim Auf'treffen des positiven Signals am Gitter leitfähig, so daß sieh die Kapazität auf das Niveau des gleichgerichteten Eingangssignals entlädt. Palis andererseits das Gleichstromeingangssignal größer ist als die Spannung an der Speicherkapazität 111a oder 112a-, wird die andere Triode "beim Zuführen des positiven Signals zum Gitter leitfähig, so daß sich die Speicherkapazität auf die höhere Spannuog des Eingangs signals auflädt _o J)er positive Impuls 11 j3ä von 50 Mikrosekunden, der dem Gleichrichter 111 zugeführt wird,

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wird von einem Sperrschwinger 113 abgeleitet, während das dem Gleichrichter 112 zugeführte ähnliche Signal 114a von einem Sperrschwinger 114 abgeleitet wirdo Diese Sperrschwinger werden synchron mit den Torsignalen, die dem Kanal 99 zugeführt werden, während aufeinanderfolgender Halbperioden abwechselnd betriebene Somit betreibt der Sperrschwinger 114 den Sleiohrichterstromkreis 112 während der Halbperioden* während denen der elektronische Schalter 66 dem Verstärker 76 Signale zuführt und die Gleichrichtei'impulse des Kanals 99 eine Höhe haben,, die proportional der Amplitude der Druck= welle sind» Während dieser Ilalbperioden ist die Spannung an der Speicherkapazität 112a proportional der Amplitude des Impulsausgangs am Kathodenverstärker 107 und wird dem Antrieb eines ersten Aufzeichengerätes eines üblichen Oszillographen zugeführt, der mehrere.Anzeigegalvanometer enthält«, Eines dieser Anzeigegalvanometer oder Aufschreibanordnungen ist mit der Bezugsnuramer 121 versehen und wird durch den Antrieb 122 gesteuert, um einen Lichtstrahl abzulenken, der auf ein lichtempfindliches Anzeigemedium auftrifft, und gleichzeitig mit dem Auf= und Abwickeln des Untertagegerätes 10 innerhalb des Bohrschachts abgelenkt wiiä Der Betrag der Ablenkung des Lichtstrahls auf der Anaeigevorrichtung 121 ist proportional der Spannung am Speicher-=

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kondensator 112a, Es zeigt sich im Ergebnis an der Anzeigevorrichtung 121 eine.erste kontinuierliche Kurve₉ deren Amplitude den ersten negativen Ausschlag der am Detektor 15 ankommenden Druckwelle darstellt und eine Funktion der Bohrschachttiefe ist* Der Antrieb der Aufzeichenvorrichtung 122 kann gleichzeitig auch sur Steuerung eines Schreibstiftes vorgesehen seinj, der- auf dem Sehreibgerät aufzeichnet_o Falls gewünscht * kann cias Schreibgerät entsprechend der Dämpfung geeicht sein ira Hinblick auf die Tatsache^ daß. die Amplitude deo demodulierten Signals umgekehrt proportional der Dämpfung ist, die durch die Erdformationen oder durch die Bohrloch Verkleidung bewirkt wirdo Durch entsprechende Änderungen in der Polarität der verschiedenen Stromkreise könnte der Antrieb 122 des Schreibgeräts natürlich auch auf die Amplitude des ersten positiven Aufschlags des äeraodulier-= ten Signals ansprechbar sein_o

Wenn der elektronische Schalter 67 dem Verstärker 76 gedämpfte Signale zufuhrt und der Kanal 99 breite gleichgerichtete Impulse erzeugt ρ deren Höhe proportional der Spitzenamplitude der empfangenen Signale ist^ macht der während dieser Halbporioden betriebene SperriJCliwinger den Gleichrichter 111 leitfähig_o Während dieser Halb-

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Perioden ist die Spannung an der Speicherkapazität 111a proportional dem Scheitelwert der Amplitude des größten Signals in dem empfangenen Signalzugo Diese Spannung wird dem Antrieb 114 eines zweiten Schreibgeräts aufgedrückt, welcher eine Anzeigevorrichtung 145 antreibt₈ die vorzugsweise --aber nicht unbedingt- ein anderes Angeigegalvanometer enthält wie das vorher beschriebene Schreibgerät. Das letztgenannte Anzeigegalvanometer lenkt einen anderen Lichtstrahl abj, der auf ein Anaeigemedium auffällt, und zwar um einen Betrag«, der der Spannung an dem Kondensator '111a entspricht und erzeugt dabei eine kontinuierliche Kurve, die als eine Funktion der Bohrschachttiefe das Maximum oder den Scheitelwert der Amplitude des größten am De-= tektor 15 ankommenden Signals wiedergibt _o

Der Zeitkanal 97 enthält einen synchronisierten Verstärkungsregler 123 zur Steuerung der Amplitude des Synehronisierirapiilsess, der einem üblichen Synchronisiermultivibrator 124 zugeführt wird, der einen Impuls entsprechend dem Synchronisiersignal in dem Untertagegerät aufbaute Dieser letztgenannte Impuls triggert einen Multivibrator 125_? v/elcher seinerseits einen Ausgang in Form einer quadratischen »eile erzeugt, die einen Sägezahngenerators, eine Diode 126 und einem nachfolgend

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näher beschriebenen Geräuschtorsehaltstrorakrexs (noise gate level circuit) zugeführt vvird_o Die Länge der γοπι Multivibrator 125 kommenden quadratischen Welle ist gleich dem ließintervall und entspricht der Laufzeit der akustischen Energie von deni Sender 13 zu. dem weiter eritfernten Empfänger 18 durch die Erdformationen„ selbst wenn üiese nur geringe Fortpflanzungsgeschwindigkeiten habe η r. Eu diesem Zweck wird eine quadratische Welle von sswei Milliv Sekunden bevorzugt» Vorzugsweise ist der Sägezahngenerator 126 ein solcher mit mitlaufender Ladespannung ("boot strap") gemäß US »Pat ent 24 446* dex* eine Säge zahnwelle erzeugt» die durch die Wellenform 126a in der Fig»3 dargestellt ist« Bei dieser beginnt die AnfangsSteigung mit dem Syachronisierimpuls und setzt sich linear während der Dauer der vom Multivibrator 125 kommenden quadratischen Wellenform von 2 Millisekunden forto Wenn der Sägezahn eine vorbestimmte Amplitude erreicht„ reicht er aus_f um einen "Pick off"-Steuerkreis 127 zu betätigen und einen scharfen Zeitimpuls auszulösen^ der mit 127a in l?ig_o 3 bezeichnet ist und den Sperrschwinger und Multivibrator 108 triggerto Eine solche Art des Betriebes wurde bereits vorgeschlagen und es reicht aus, darauf hinzüweisens daß der Srigger-Irpuls für den Sperrschwinger und Multivibra= tor 108 ausreichend ist_r um in diesem Stromkreis eine

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quadratische Welle 108 von 50 MikroSekundeη zu erzeugen, die zu einer Zeit beginnt, die mit dem Impuls des Pickoff «Stromkreises susammenfällt, das heißt, nach einer bestimmten dem Synchronisierimpuls folgenden Z_eit <.

Betrachtet man nun den Betrieb des Meßkanals 98* so ist festausteilen_r daß dieser Kanal zusätzlich zu dem vorerwähnten Verstärker 104 einen Torschaltkreis 128 enthält -j welcher dein in dem US-Patent 2 862 104 beschriebenen Typ entspricht» .Diesem let Et genannt en. Torschaltkreis wird ein Tastsignal quadratischer -Wellenform void Geräuschtorschaltkreis augeführt, der vorzugsweise einen monostabi len Multivibrator 130 enthalte Der Multivibrator 130 wird durch die quadratische Wellenform erregt, die am Ausgang des Multivibrators 129 erzeugt wird* welcher seinerseits durch den quadratischen V»elle-nimpuls vom Multivibrator mit einer Dauer von 2 Millisekunden getriggert wirdc Der letztgenannte quadratische Wellenimpuls wird zunactefc einem Verzögerungsstromkreis 131 zugeführt, um Ci-iä Aussenden des Signals für den Multivibrator 130 fi'ir eine bestimmte Zeitj, die dem Synchronisierimpuls folgt, aufzuhalten=. Der Torschaltkreis 1.2-8 ist solange gesperrt, bis daß er das der quadratischen Vföllenform entsprechende Signal $on dem Multivibrator 130 erhält, und es können

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während der Verzögerungszeitj die durch den Stromkreis erzeugt werden, keine Signale durch die Ausgangsleitungen des Torschaltkreises 128 hiridurchgelassen werden „ Das -Tast signal vom Multivibrator 130 hat eine Dauer von ungefähr 1,5 Millisekunden, während die dernoduXierten Signale v/ährend einer Zeitdauer von 1 _t 5 Millisekunden durch den Signaltorschaltkreis hindurchgelassen vvördsn-, welcher so arbeitet, daß an seinen Ausgangsleitungen nur Signale einer einzigen Polarität, sSoB» negative Signale;, erzeugt werden» Die letztgenannten Signale werden einem J?aar von parallelgeschalteten Verstarkungsreglerη 132 und 133 zu-geführt_P Wenn der elektronische Schalter 66 während dieser Halbperioden demodulierte Signale zum Verstärker hindurchläßt, wird der Ausgang des Reglers 133 einem Verstärker und Kathodenverstärker 134 üblicher Konstruktion suge~ führt ο Dieser betreibt seinerseits den Sperrschwinger und Multivibratorstrorakreis 108_o Um diesen weehselweisen Betrieb vornehmen zu können, wird der Sägezahnausgang am Sägezahngenerator und am Diodenstronrkreis T26 einem üblichen bistabilen Multivibrator 141 zugeführt, welcher während jeder Halbperiode getriggert wii'd, um den Betrieb von einer Arbeitslage in die andere zu ändern_o Wenn der bistabile Multivibrator 141 in die erste seiner beiden Leitfähigkeitslagen gebracht ist, fließt durch die Spule

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135 eines drei Kontaktsätze 136_S 137 und 140 aufweisenden Steuerrelais Strom«, Der Kontaktsatz 136 steuert den Eingang am Verstärker und Kathodenverstärkerstromkreis 124_o In der Figo 2 dargestellten normalen Lage, bei welcher die Relaisspule 135 entregt ist, wird der Eingang an dem Kathodenverstärkerstrorakreis 134 vom Potentiometer 133 erhalten η Die Schaltanordnung des Multivibrators 141 ist derart„ daß die Relaisspule Tj55 wäferend derjenigen Halbperio¹¹ den_s in welchen der elektronische Schalter 66 betätigt ist, entregt ist, während sie während solcher Halbperioden erregt ist, bei denen der elektronische Schalter 67 in Betrieb ist ο Wenn die Relaisspule 135 entregt ist, erhält der Verstärker und Kathodenverstärkerstromkreis 134 von dem Schaltsegment 119 Signale₄ In der "SATALO(I."-Lage wird das Steuersignal vom Potentiometer 133 erhalten,, welches am Ausgang des Torschaltkreises 128 auftritt. Der Torschaltkreis 128 ist während jeder Halbperiode während

einer Zeitdauer von 1,5 Millisekunden geöffnet, die gleit!!* der Dauer des Tastsignals am Multivibrator 130 zu Beginn der Verzögerungsperiode ist, die durch die Stromkreise und 131 ausgelöst wird ο Wie bereits fizüher angedeutet, ist es wünschenswert, daß das Tastsignal von 1,5 Millisekunden um eine solche Zeitdauer verzögert wird, die gleich ist der Laufzeit der Impulse, vom Sender 13 au dem in Betrieb

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genommenen Detektor 15° Die Potentiometer 142 und 143 regulieren die Dauer der quadratischen Wellenform vom Multivibrator 129, so daß das Tastsignal von 1_r5 Millisekunden zu der gewünschten Zoit während jeder Halbperio« de beginnt» Die Anordnung dieser Potentiometer wird somit in einem gewissen Ausmaß dureh den Abstand zwischen der Quelle 13 und dem Smpfänger bestimmte

Während der Halbperioden_? in denen die Relaisspule 135 vom Strom durchflossen wird, wird die dem Verstärker und Kathodenverstärker 134 zugeführte Eingangsspannung von- dem Segment 120a des Auswahlsehalters abgenommene Wenn dieser Schalter sich in der "SATALOG"-lage befindet, stellt dieser Eingang einen scharfen Impuls dar₈ der durch den Pick-off·= Diodenstromkreis 12? erzeugt wird_o Während dieser Halbperioden schickt der Torschaltkreis 128 ein langes Tastsignal von 1,5 Millisekunden Dauer durch einen Kondensator 148 au dem Impulsverbreiterer 106_o Der IrapulsYerbreiterer 106 und Kathodenverstärker 107 erzeugen einen Ausgangsim=· puls von einer Dauer, welcher dem Tastsignal von 1,5 Millisekunden entspricht und dessen Amplitude proportional dem Scfrf-'itelwert der Amplitude des größten Signale ist, das während der Tastperiode dem Impulsverbreiterer vom Ver-

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stärker 105 zugeführt wird ο

Wenn sich der Auswahlschalter "SATALOG"-Lage befindet _f werden die den Gleichstromkreisen 111 und 112 augeführten. Signale von dem Sperrschwingern 113 und 114 abgeleitet, welche beide vom Ausgang eines hochverstärkenden Verstärkers 138 getriggert werden ο Wenn'während dieser Halb·= Perioden die Relaisspule 135 entregt lst_f wird der Sperrschwinger 114 seinerseits durch dasjenige Signal getriggert_? das am Potentiometer 133 erscheint und welches seinerseits von den Signalen abgeleitet ist, die an dem in Betrieb genommenen Detektor 15 ankommen ο Wenn-während dieser Halbperioden die Amplitr.denmessurig der Druckwelle gemacht wird, ist die Relaxsspule 135 entregt ₉ während die am Potentiometer 133 auftretenden gleichgerichteten Signale durch den Kontakt 136 dem Verstärker und Kathodenverstärker 134 zu-= gefährt werden* Der Signalausgang des letztgenannten Stromkreises trigg-ert den Sperrschwinger und Multivibrator 108 und erzeugt einen Irtpuls_s welcher durch das Schaltsegment 118s, durch den Verstärker 138 und durch den Kontaktsatz 137 zum .Sperrschwinger 114 hindurchgelässen wird«, Der Sperrschwinger 114 riiihrt die Steuersignale zum Gleichrichter 112_P um sonr.lt die Amplitudenmessung der Druckwelle in der eingangs beschriebenen Weise au ermöglichen,,

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Der Antrieb 122 des Schreibgeräts tastet somit die an der Kapazität 112a vorhandene Spannung zu einem Zeitpunkt, der mit einer scharfen Spitze von dem Sperroszillätor. zusammenfälltf während die letzte Spitze mit dem negativen Verlauf der Druckwelle zusammenfällt„

Wenn während dex^ Halbperioden die Relaisspule 135 erregt wird* legen die Relaiskontakte 137 den Ausgang des Verstärkers 138 an den Sperroszillator 113» der ein Signal zum Betrieb des Gleichrichters 111 aufbaute Wahrend dieser Halbperioden wird der Kathodenverstärker 134 durch die Spitze oder den Impuls vom Stromkreis 127 aber das Schalt=· segment 120a in Betrieb genommen,, Der Sperrschwinger 113 wird somit getriggort und führt dem Gleichrichter 111 ein Signal zu, das mit dem Impuls oder mit der Spit.se vom Stremkreis 127 beginnt_o Der Gleichrichter 111 tastet die Spannung an dem Kondensator 111a zur selben Zeit und betätigt die Schreibanordnung 145 in der oben beschriebenen Weise* Somit werden also die Schreibvorrichtungen 121 und 145 abwechselnd während aufeinanderfolgender schnell wiederkehrender Halbperioden eingeschaltet und erzeugen gleichzeitig zwei kontinuierliche Kurven, von denen eine die Amplitude der Druckwelle darstellt, während die andere die Maximal- oder Spitzenamplitude der empfangenen

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Signale beinhaltete

Während jeder Halbperiode erzeugt das Oszilloskop 38, das vom Typ "Tektronix RM 504" sein kann, eine Aufzeichnung-, die den durch die Verstärker 76 und 104 hindurchgelassenen. Signalen entspricht» Die Kippspannung des Oszilloskopes wird mit dera oberirdischen Gerät synchronisiert durch den Impuls vom Stromkreis 125» welcher die entsprechenden Kippstromkreise des Oszilloskops triggert und den Elektronenstrahl in der üblichen Weise tastet_o Das Oszilloskop rea-giert sofort und hat keine beweglichen Teile. Bs ist bezuglich der Ansprechzeit anderen Typen von AufBeichengeräten, Z₀B₀ Galvanometern, überlegen und es gestattet zusätzlich eine große Auswahl von Zeitskalen und vertikaler Empfindlichkeit.

Um eine Daueraufzeichnung der empfangenen Signale für eine spätere Analysierung zu erstellen, können die Bilder durch eine Kamera 39? 3oB_o eine übliche 16-mm-Kamera, vom Schirm des Osailloskops aufgenommenwerden„ Zwischen die-Kamera und den Qszilloskop kann zur Verbesserung der Aufnahme ein Licht schutz 40 aufgestellt werden» Die Blende der Kamera ist zweckmäßig in einheitlichen vorausbestimmten Zeitintervallen geöffnet ο Stattdessen kann die Auf-

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nähme bei vorbestimmten'Tiefen des Bohrschachts gemacht werden« Die Kamerablende könnte aber auch voraugsweise durch die von einer Zeitsignalquelle 41 ausgestrahlten Signale elektrisch betätigt werden, wobei die Signale durch einen von Hand betätigten Sahalter 42 hindurchgehen und somit die Kamera in einheitlichen Zeitinter« vallen aur Aufnahme betätigen» Der Schalter- 42 kann auch. dazu dienen» den. Stromkreis zur Steuerung der Blende mit Tiefensignalen (depth signals) zu versorgen, die von einem Tiefensignalgenerator 43 _f der synchron, mit dem Mechanismus 29 zum Hochziehen und Herablassen des Unter- ■■ tagegerats arbeitet, entstammend Somit kann die Kamera in einheitlich gestaffelten Tiefenabständen innerhalb des Bohrschachts Bilder aufnehmen,, 2.Bo bei jedem Meter, In jedem Fall ähnelt jedes Bild dem Wellenaug 35» der am Detektor während des Zeitintervalls ankommt, wenn die Aufnahme stattfindet„. Die Bilder können entsprechend der Tiefe aufgeschlüsselt werden, indem man ein Spiegelbild oder ein Odometer mit dem Kamerabild mitfotografiert. Rauschen und/oder Zeilensprung können auf den Bildern leicht unterschieden werden und können beim Auswerfen aufeinanderfolgender Bilder ausgeschieden werden, was elektronisch sehr schwierig ist., Somit können gleichzeitig vollständige akustische Daten erlangt werden mit "cement-

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bond"-₉ Geschwindigkeits- oder AiJiplitudenmessungen, Wobei diese Daten durch die Bilder für zukünftige Verwendung festgehalten werdenρ

Vorzugsweise werden die Bilder auf den Bohrfeldern entwickelt,-um an Ort und Stelle die Zuverlässigkeit eines fraglichen Meßintervalls nachprüfen au können. Eine vorläufige Auswertung an der Bohrstelle, um Kohlenwasserstoffe, Bruchforaationen sowie Flüssigkeitsströmungen und Fugen festzustellen, gehört zur feststehenden" Praxis=.

Nach einer vorläufigen Untersuchung auf dem Bohrfeld kann der Film dein nächsten Büro zum vollständigen Auswerten übergeben werden. Hier wird das Bild auf einen großen Schirm projiziert, um die Wellencharakteristiken von Hand auszumessen. Einzelne Abzüge der Bilder können in wenigen Sekunden hergestellt weiS-den. Das große Schirmbild gestattet eine ziemlich genaue Auswertung der Parameter der akustischen Welle. Die Meßwerte können entweder direkt dein Schirm oder aber den Abzügen entnommen werden.

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Die Auswertungen können von den Intervallzeiten der Druckoder Scherungswellen, der Frequenzen der Brück- oder Scherungswellen, der Amplitude der Druckwellen-, dem Sohei feslwert der Amplitude der Wellen der gesamten Energie und der Signalbeständigkeit vorgenommen werden. Barüberhinaus sind aanlreiche unbegrenzte AusXvertungsiaöglichkeiteii gegeben.

Die Auswertungen der Bilder und Meßwertaufzeichnungen .in der vorbeschriebeneii Weise werden-dauu .ausgenutzt, folgende Daten festzustellen?

1. Bestimmung der Lage von Kohlenwag^serstoff en.

> ■

In festen Felsbereichen kann eine eindeutig und klare Beziehung zwischen dem Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen und der Verkleinerung der Amplitude der Druckwelle.festgestellt werden.

Zusätzlich zu dem Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen können Gesteinsänderungen, eine Vergrößerung des Bohrlochs, Lagerungen von verschiedenen Felsen oder Brüchen ebenfalls die Amplitude des empfangenen Signals vermindern-. Jedoch in nlchtgebro-

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ebenen homogenen Felsen kann die Verminderung der Amplitude aufgrund der anderen erwähnten Variablen vorausgesagt werden. Eine Dämpfung infolge von Gesteinsbrächen ist nicht voraussehbar und die direkte Feststellung der Kohlenwasserstoffe innerhalb eines Bruches ist sehr schwierig„ Die Lokalisierung der Brüche ist jedoch einfach, und wema der dem Bruch unmittelbar benachbarte Felsen porös ist, kann angenommen werden, daß die darin enthaltenen Flüssigkeiten ähnlich derjenigen in dem benachbarten Felsen sind.

Ein Absinken der Amplitude der Druckwelle infolge Vorhandenseins von Kohlenwasserstoffen kann durch einen Sprung in der Schwingungszeit (cycle skipping) in Erdteilen, insbesondere in gasvorherrschenden Teilen festgestellt werden, wobei in allen der Bohrung ausgesetzten Wasserzonen solcher Sprung nicht stattfindet.

Die Tatsachen, daß Kohl snwasserstoffe· eine höhere Kompressibilität als Wasser aufweisen, andere Eigenschaften als dieses besitzen, und immer als ein Teil einer Vielphasensättigung bei Porösität der Felsen zu betrachten sind* dienen der Verminderung der Amplitude de:? Druckwelle, Jedoch wird die Dämpfung

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durch die Anordnung von Löchern, die Oberflächenspannung zwlsehen Öl und Wasser* zwischen. Wasser und innerer Felsoberflache j zwischen Öl und innerer Felsoberflache au einem bestimmten Grad beeinflußt. Die Wirkung der Bildung von Salzen in Wasser und der Schieferanteil wurde axs weniger wirksam gefunden.

Ein besonderes Merkmal von ausgebohrten, Kohlenwasserstoffe erzeugenden, Erdformafcionen_s ist die "Grenabi-ldung" der Kohlenwasserstoff e,- die durch Eindringen von Schrautzfiltraten erzeugt wird. Eine gewisse Amplitudenverminderung ist als Ergebnis der in*diesen Grenzflächen reflektierten Energie anzusehen, die mit der am Empfänger ankommenden anderen Energie außer Phase liegt. Zweifellos kommen am Empfänger über viele Kanäle akustische Wellen an, wobei jeweils die nachfolgenden Kanäle weiter in die Erdformationen gedrungen sind. Da die akustische Geschwindigkeit in den kohlenwasserstoffangereicherten Kanälen geringer ist als in den flüssigkeitsreiehen Kanälen, kann eine störende Interferenz und eine weitere Veriüinderung der Amplitude auf

lassen

entgegengesetzte Formationsbildung schließen/ die Kohlenwasserstoffe zu erzeugen fähig ist.

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Die Gegenwart von Kohlenwasserstoffen hat im Gegensatz zu
Wasser eine relativ kleinere Wirkung auf die Verminderung der
Scherungsenergie im Vergleich zur Druckwellenenergie. Der
Grund liegt darin,■daß alle Flüssigkeiten auf Scherungsenergie isolierend wirken» Es kann natürlich auch eine komplexe Wirkung vorhanden sein, die auf Umwandlungen von Druckwellenenergie in Scherungswellenenergie und umgekehrt innerhalb der Erdforiiiationen zurückzuführen ist.

Für die meisten Felstypen gibt es eine bestimmte Beziehung
zwischen Durchlässigkeit und Amplitude. Für die meisten Felstypen nimmt die Anzahl der Körnerbildungen in einem gegebenen Felsvolumen ab, je mehr die Große der- Körner (Permeabilität)
zunimmt. Bui dieser Verminderung der Oberflächengröße einer
solchen Kopplung, kann man eine größere Signaldämpfung und
eine verminderte Amplitudengröße erwäx'ten. In kohlenv/aBser-»
stoffhaltigen Felsen (nur diese Felsen sind an sich von tatsächlichem Interesse) ist die Anordnung von Öl und Gas "im allgemeinen für die Signalreduzierung in"den Zonen höherer Permeabilität günstig.. "Mit zunehmender "Permeabilitätwird zusätzlich die Felsdichte und Porosität abnehmen bzw, entsprechend zuneh-

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men. Beide Grade von Felsverdichtung und Porösität kann von den Oszilloskopbildern ausgewertet werden.

Es kann erwartet werden, daß zunehmende Porösität die Dämpfung vermindert, denn es wird im allgemeinen die Porösität mit abnehmender Oberflächengröße zunehmen. Zunehmende Felsporösität und Durchlässigkeiten werden somit von einer Verringerung der Druckwellenamplitude begleitet.

5. Dichte der Felsen ■ . ■ - ---

Die Dichte der Felsen hängt ab von dem Felstyp, dem Alter, der Lithiumbildung, der Art der Porösität und der-,.Tief-e der G-rabenbildung. Die akustischen Eigenschaften ändern sich sehr stark' mit der Felsdichte. Je dichter ein Felsen-ist, um eo größer ist die Geschwindigkeit; je größer die Frequenz der zuerst ankommenden Welle ist, um so größer ist die Signalbeständigkeit und je größer das Maximum der Amplitude.

Die'Signalbeständigkeit kenn definiert werden als die Zeit in Mikrosekunden von der Ankunft der ersten .Druckwelle bis zum Verlust der. gesainten wesentlichen Energie. Sie wird bezogen auf die Kombination der Formationsbildung und die Umkehrung des

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Formatxonswiderständes. Es kann erwartet werden, daß die Sxgnalbeständigkeit mit der Felsdichte zunimmt.

Die Frequenz oder.Schwingungsdauer der zuerst ankommenden Druckwelle ist ein wertvoll ex· Anzeiger für die Felsdichte und zeigt sich bei jeder Auswertung der Bilder« Die Schyjxngungsdauer der ersten Welle wird benutzt, da sie im aligemeinen durch die Harmonischen wenig beeinflußt wird. Die Brdforraationen wirkeö als Filter und schlucken bestimmte Frequenzen der Energie, auf. Die Frequenz wird im allgemeinen zunehmen mit zunehmender Dichte der Erdformationen. In ungebrochenen dichten Felsen kann man erwarten, daß die Frequenzen in Kalkfelsen hoch sind, in Sand mittelhoch und im Schiefer niaJrig. In ungebrochenen Felsen ist die Frequenz der zuerst ankommenden Druckwelle bei einem gegebenen Felstyp von ähnlicher Beschaffenheit sehr einheitlich. In verkleinerten und analysierten Proben zeigt sich eine strenge Beziehung zwischen zunehmender Permeabilität und zunehmender Schwingungsdauer. Jedoch^zeigt sich, daß in gebrochenen Wasseradern wegen der damit zusammenhängenden Phasenverschie- :- bung, die beobachtete Schwingungsdauer ziemlich weit von der normal in Felsen erwarteten Schwingungsdauer abweicht.

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ⁿSoherungs"-AmplitU!len wurden auch dazu benutzt, den Grad der Forj&ationsdiehte von "brüchigen und verdichteten Formationen anzuzeigen, "die für bestimmte Seherungswellen charakteristisch sind, Bine bemerkenswerte Beziehung wurde zwischen dem Maximum -der Scherungsamplitude und der Bohrzeit beobachtet.

4» Granuläre Porösität

In vugularen oder gebrochenen Behältern ist die Porösltätsverteilung derart, daß die zuerst ankommende Energie in der Haupt-' saehe durch die nicht vugulare oder Matrixphase hindurchläuft. Das Vorhandensein von unsymmetrischer Porösität kann jedoch wegen der ankommenden abnorm niederen Energie erkannt werden.

5» feststellung der Brüche

Brüche sind wegen ihrer ziemlieh vernaohlässigbaren Wirkung auf die Porösität der !Felsen schwer zugänglich durch die üblichen Porösitätsmessungen. Wegen der Brüche haben Felsen enorme Durchlässigkeiten, sogar wenn die wirksame Porösität und die Durchlässigkeit zwischen den Körnern nahezu KuIl ist· Abgesehen von der durch die Brüche bewirkten Streuung reduzieren die Brüche die akustische Kopplung zwischen den Felsen und können durch die niederen Amplituden identifiziert werden. Hur geringe Ener-

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gie wird durch die "offenen" Brüche hindurchgelassen, wegen der großen Differenz zwischen dem Felsen und- den in den Brüchen befindlichen Flüssigkeiten«. Die flüssigkeitsgefüllten offenen Brüche erzeugen zwei zusätzliche Grenzflächen mit der damit verbundenen Energieabsorption.

Das Vorhandensein von gut zementierten oder zusamrftengefcitteten Brüchen trägt nicht viel zur Bestimmung bei und ist relativ unwichtig für die Analyse. Da der Betrag von Isoliergrund innerhalb eines Bruches die Oberflächengröße der Kopplung steuert, vermindern gekittete Brüche nur im-".geringen Maße die Amplitude, Wo eine Verlagerung den KLsen an jeder Seite des Bruches unterschiedlich gemacht hat, kann eine zusätzliche geringere Araplitudenverrainderung erwartet-werden·

Die Gegenwart von nichthorizontalen Brüchen, sowohl offen oder gekittet, führt zu einer Streuung dor Energie und einer Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebung wird dadurch hervorgerufen, daß an den Brüchen eine starke Energie streuung iiiι Böiir^ —■-'■ schacht innerhalb der Zeit der ersten Schwingungsdauer stätt-i' ^:-" findet» Diese Energie überlagert die zuerst ankommende Wellenform durch konstruktive oder destruktive Interferenz. Die Fre-

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quenz der ersten Schwingungsdauer hebt sich bei einem ungebrochenen Fels bei einer Untersuchung von der erwarteten Schviingungsdauer ab. Yertikalbrüche erzeugen ebenfalls ein. Prequenainterferenzbild« -Wegen der vertikalen oder nahezu vertikalen Brüche wurde eine Phasenverschiebung bei allen, ausgewerteten Messungen sichtbar, wo eine Körneranalyse eindeutig diesen, iyp ' des Bruches zeigte.

Die Ainplitudenverluste der Druckwellenenergie_s die durch einen Diagonalbruch hervorgerufen werden, sind im allgemeinen nicht deutlich feststellbar» Diagonalbrüche können in beträchtlichem Maße die Energie in dem Bohrschacht streuen*

• ■ ■ ■ ■ ■■■..'■ ■

Die Kurve der Schwingungsdauer hat sich zum Feststellen der Brüche als sehr nützlich erwiesen· Studien der Scherungaenergie haben die Wirksamkeit der Brüche sehr deutlich gezeigt. Zwischen den Brüchen befindliche Flüssigkeit wirkt sich auf die Sciierungsenergie sehr nachteilig aus. Die Amplitude der Seherungswelle wird durch die gekoppelte Oberfläche oder offene Brüche gesteuert.

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6. überspringen^j|er_Schwinp;ung (cycle skipping) Unter Schwingungssprung versteht man das Fehlen der ersten Schwingung der Kompressionswelle, die am zveLten Empfänger ankommt. Die Amplitude der ankommenden Druckwelle reicht nicht aus, um den Meßkreis zu betätigen. Wenn sich dieses ereignet, wird die zweite Schwingung, die im allgeifieinen eine höhere Amplitude hat, die elektronische Schaltung auslösen. J)ie auf den Meßgeräten aufgezeigte Laufzeit wird dann um die Zeit einer Schwingungsdauer dividiert durch den Abstand zwischen den beiden Empfängern zu lang sein. Die aufgenommenen Bilder zeigen alle sehr klar den Schwingungssprung und gestatten, diese Wirkung herauszunehmen»

7» Rauschen -

Unter bestimmten ungewöhnlichen Meßbedingungen, wie z.B. in Gasschlamm, in unregelmäßig geformten" oder ausgewaschenen Schächten»' in Erdformationen mit umgekehrter"hoher Dämpfung", und -in engen und verzweigten Höhlen, kann das Signal-Hausehverhältnis sehr klein sein» Das Rauschen wird dann ein Problem, und zwar so ernsthaft zeitweise, daß eine befriedigende Messung

Wenn -

nicht erzielt werden kann,,/ ein Rauschen von genügender· Amplitude an dem Empfänger vor der ersten Druckwelle ankommt, kann

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hierdurch ein frühzeitiges Auslösen des gesamten Meßstroinkreises erfolgen. Me sieh dann ergebenden aufgezeigten Intervallzeiten sind dann größer als die tatsächlichen Formationszeiten. Die Ze it kurve eines Ein-Enipf ängers, die in Verbindung mit einer Zwei-Empfänger-Messung erscheint, macht sowohl das Rausehen als auch den Schwingungssprung sichtbar. Allerdings kann ohne eine fortlaufende Aufzeichnung des gesamten ankommenden Signals, wie z.B. durch Aufnahmen, eine genaue Korrektur nicht geiaaeht werden. _ξ

Bei der Amplitudenpressung kann das Hauschen den Torschaltkreis triggern und der sich daraus ergebende Ausschlag des Galvano—

ist
seters/eine Folge der Formations- und Rauschamplitude. Das Rauschen erfolgt normalerweise nicht in jeder beliebigen Tiefe und erscheint auch nicht an jedem der Empfänger als festes und wiederholbares Erscheinungsbild„ Diese Zufälligkeit des Rau-'schens ermöglicht es, laß es von den Bildern des Osailloskops· identifiziert und beseitigt werden kann- Der Bildschirmphosphor des Oszilloskops hat eine ϊί%α&1 euchtdauer von ungefähr einer halben Sekunde. Bei fünzehn Sendeimpulsen pro Sekunde erscheinen mehrere vollständige Wellenzüge wegen der W_ellenbildaufzeiehnüngeh. Sehr selten wurde Rauschen beobachtet, das alle

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die Schwingungen zerstört«,· Da die echten Signale eine Zusammensetzung von mehreren nahzu identischen Wellenzügen sind, werden diese verstärkt und sind manchmal so intensiv wie die Spuren des Rauschens-. Außerdem.-ist »such die echte Wellen form, die einige Zeit nach der Aus Sendung...,öjikommt, voraussehbar. Die Oszilloskopbildei· gestatten somit, das Rauschen zu erkennen und zu beseitigen;, "so daß dann eine rausehfreie Messung vorliegt. ...-·";

8. perngnt-bond. ..

Die akustischen O&zilloskopbilder gestatten in verkleideten Bohrlöchern eine größere Information zur Auswertung der Qualität der Kittfugen, als die üblichen Fugenmessungen. Die Aufnahmen gestatten eine Information über' die Bindungen zwischen Zement und Verkleidung und Zement und^: Erdformation in h,ohen als auch in niederen &eschwindig'keitsf ormat$onen. Die Gegenwart von Bindung zwischen Zement und Formationen kann gut errechnet werden, da die Amplitude de"s Fürniationssignals proportional der■-Kupplung zwischen-der Verkleidung, dem .Zement

Kein Signal

und der Formation ist,/bei- der erwarteten Ankunftszeit bei Messungen mit verkleideten Bohrschächten bedeutet immer, daß eine gute, Zement-Verlileidungsbindung da ist. "-,Wenn kein Signal

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ankommtj v/ird die Amplitude des letzten ankommenden Signals mehr ⁰Lient auf die Qualität der Zeraeiit-Formationsbindung wer— fen. Wenn das durch die Formationen und die Verkleidung hin~ durchgeschickte Signal zur selben Zeit ankommt, kann eine Auswertung der Frequenz der Feststellung dienen, ob das durch, die Verkleidung hindurchgehende Signal vorhanden ist oder nicht» Die Frequenz des durch die Verkleidung hindurchgeschickten Signals ist nämlich einheitlich und niederer als die durch die Formationen hindurchgeschickten Signale.

Zusätzlich zu der Auswertung der Zement bindung können Auf nahiaestudien zur Feststellung der Gesteine und Porösität dienen, wenn eine ausgezeichnete Bindung vorhanden ist. Es wurden auch schon Voraussagen über Kohlenwasserstoffe enthaltende Zonen hinter den Ölleitungsrohren vorgenommen.

Bei einer kürzlich durchgeführten Messung von acht Bohrungen im Distrikt von Oklahoma unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Meßtechnik zeigte sich, daß 90 fo' der durchgeführten Analysen genau waren und die aufgrund der Messungen durchgeführten Voraussagen zutrafen. Viele Bohrungen wurden vorher nach den früheren Methoden durchgeführt, die geringere Ergebnisse er-

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zielten. Somit hat die vorliegende Erfindung sich als sehr fortschrittlich gezeigt, indem sie eine genaue Analyse der unterirdischen Erdformationen gestattet.

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Claims (1)

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   .!Patent a ns'ρ r .&. c he:

   ^ hren zur Untersuchung der von (Tiefbohrungen durehteuften Erdforinationen mittels akustischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulse akustischer Wellenenergie ausstrahlende Sender innerhalb des Bohrschachts 'aufgehängt ist, während mindestens ein die akustische Wellenenergie empfangendes Gerät in einem festen Längenabstand von dem Sender angeordnet ist und auf jeden Impuls der akustischen Wellen-

   energie einen Zug von Wechselstroiasignalen aufbaut* wobei die Signalzüge mindestens sowohl zur Erzeugung einer ersten die Spitzenamplitude der ersten Schwingung des Zuges als eine Funktion der Bohrlochtiefe darstellende Kurve als auch aur gleichzeitigen Darstellung einer zweiten Kurve benutzt werden, die den Schei.telwert der Amplitude öse gesamten Signale. des Wellenzugs als Funktion der Bohrlochtiefe wiedergibt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalzüge zur Erzeugung einer dritten Kurve verwendet werden, die die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Wellenenergie als Funktion der Bohrlochtiefe wiedergibt.

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   3. Verfahren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß der. Signalzug zur Erzeugung einer weiteren Kurve von eineia sich, auf die Freijtiena-. döir Slgnaie beaiehenden Parameter tsenuizt wird.

   4. Verfahren näbh einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurven äixt Darstellung der Öigiiäiziige auf dein Sohiria einer Kathodenstrahlröhre wiedergegeben

   und der Bilctöchiria MUr" iiüäv/ertung der feurven üut äeü fötöfiräfiei-b ä

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   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnaty daß die Signalzüge zur Erzeugung getrennter weiterer Kurven als Punktion der Bohrloehtiefe verwendet werden, denen Parameter entnommen werden, die sich auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von teilen der akustischen Energie* die Frequenz des Signalzugs und die gesamte akustische Energie beziehen,

   8. Verfahren nach Anspruch t und 6, dadurch gekennzeichnet_t daß die im Empfangsgerät aufgebauten Signalzüge gedämpft werden und die gedämpften Signalzüge auf einer Anzeigevorrichtung eine Kurve darstellen, die den Zeltabstand zwischen der Ankunft der akustischen Scherwelle an den beiden im Abstand? voneinander angeordneten Empfangsgeräten als eineFunktion der Bohrloehtiefe wiedergibt» ,

   9» Einrichtung zur durchführung d£s Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch einen iia Bohrschacht angeordneten Sender,⁴ mindestens einen im Iiängaabstanä vom Sender angeordneten fEitfpfanger,feinen^ ersten und zweiten durch die am" Empfänger ankoißiaenden Signalzüge ia Betrieib gesetzten EiapfaiigBkanäle, eine erste mit dem ersten Kanal· verbundene .

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   Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer ersten die Spitzenamplitude der ersten Schwingung des Wellenzuges als funktion der Bohrloch tiefe anzeigenden Kurve, sowie eine zweite, Diit dem zweiten Kanal verbundene Anzeigevorrichtung _t die gleichzeitig mit der Aufzeichnung der ersten Kurve eine zweite Kurve wiedergibt» die den Scheitelwert der Amplitude der gesamten Signale des Wellenzugs als Punktion der Bahrlochtiefe wiedergibt. -

   10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle Schalt&ittel enthalten, um diese synchron mit der Aussendung der Impulse abwechselnd in Betrieb zu setzen.

   Tt. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzeigevorrichtung einen !Dorschaltkreis enthält, der nur während einer Zeit öffnet, die etwa gleich der Breite der ersten durch die akustische Energie bewirkten ersten Schwingung am Empfänger ist, der während dieser Zeit ein Signal aufbaut mit mindestens einem der Spitzenamplitude der ersten Schwingung proportionalen Parameter, während die zweite Anzeigevorrichtung einen Torschaltkreis enthält» der für eine weitaus größere Zeit öffnet und ebenfalls ein Signal aufbaut

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   mit einem Parameter proportional de^ Spitäenaiäplitiide der während dieser Zeit am En^fangei¹- eintref£eäden Signale des Zuges.

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   12* Einrichtung nach Anspruch §Y/äääüröh geteeöngeieiiiietj daß die beiden Anzeigevorrichtungen eiinen Schalter zum aisweehselnden Betrieb synchron mit dör Aussendung der Iöipülse enthalten*