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Die Erfindung betrifft ein Bohrlochmeßverfahren, bei dem gerichtete
akustische Wellen unter gleichzeitiger Erzeugung einer Mehrzahl akustischer Signale
von einer Sonde ausgesandt und nach Durchtritt der angrenzenden Formation an anderen
Stellen vermittels Empfangsvorrichtungen wieder empfangen werden, sowie eine akustische
Bohrlochmeß-Wandlereinheit für das Erzeugen oder Empfangen eines ausgerichteten
akustischen Signals mit jeder gewünschten Raumorientierung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Aus der deutschen Patentanmeldung D 5758 ist es bekannt, Sender und
Empfänger in dem gleichen Bohrloch anzuordnen. Auch aus der USA.-Patentschrift 2
156052 ist ein Bohrlochmeßgerät bekannt.
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Abgesehen von der Anordnung der vorgesehenen Detektoren, wirkt sich
auch der fehlende direkte Kontakt zwischen Meßgerät und Bohrlochwandung bei diesen
bekannten Geräten nachteilig auf die Meßergebnisse aus. Dies ist insbesondere auf
die unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den jeweiligen Ausbreitungsmedien zurückzuführen.
Die Nachteile der bisherigen Verfahren zu überwinden, ist die Aufgabe der Erfindung.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die einzelnen
Signale jeweils durch einen Kraftvektor mit definierbarer Richtungsorientierung
direkt auf die Bohrlochwand, im gleichen Abstand über deren Umfang verteilt, von
einer ersten Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ausgesandt und in einer zweiten Ebene
senkrecht zur Bohrlochachse direkt an der Bohrlochwand, im gleichen Abstand über
deren Umfang verteilt, empfangen werden.
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Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die störenden Ausbreitungsarten
zu unterdrücken und gleichzeitig die Übungen zu betonen.
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Auf diese Weise kann die empfangene Wellenform wesentlich leichter
und genauer identifiziert werden, als dies bislang möglich war.
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Durch die direkte punktförmige Übertragung der Signale auf die Bohrlochwandung
werden die beispielsweise durch die Bohrlochflüssigkeit nachteiligen Signalausbreitungen
unterdrückt.
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Nach einem weiteren Merkmal, unter Verwendung transversaler akustischer
Signale, welche tangential zum Bohrloch ausgesendet werden, liegen die die erzeugten
Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene, und jeder derselben liegt
tangential zu den Wänden des Bohrloches in der gleichen Drehrichtung vor.
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Bei Verwendung transversaler akustischer Signale, die zueinander
parallel in einer Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ausgesendet werden, liegen die
die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene und sind
insgesamt in der gleichen linearen Richtung orientiert.
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Bei Verwendung transversaler und longitudinaler Signale, welche radial
bzw. parallel der Bohrlochachse ausgesendet werden, liegen die die erzeugten Signale
wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene vor, und jeder derselben ist nach
außen senkrecht zu den Wänden des Bohrloches gerichtet.
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Bei Verwendung longitudinaler Signale, welche parallel der Bohrlochachse
ausgesendet werden, liegen die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren
senkrecht zu der ersten Ebene und weisen die gleiche lineare Richtung auf.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wer-
den die ausgesandten
Signale in den gleichen ausgeprägten Orientierungsrichtungen empfangen, die die
erzeugten Signale kennzeichnen.
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Die Orientierung der Polarität einer Reihe akustischer Signale kann
nacheinander verändert werden.
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Das Bohrlochmeßwerkzeug wird für eine kontinuierliche Messung jeder
der Richtungsorientierungen der akustischen Signale durch ein Bohrloch bewegt, und
die Orientierungen der akustischen Signale werden mit ausreichender Schnelligkeit
verändert.
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Die Bohrlochmeß-Wandlereinheit ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet:
einen Befestigungsblock und drei Wandlerelemente, die starr an dem Befestigungsblock
längs gemeinsamer senkrechter Achsen befestigt sind, deren gemeinsamer Schnittpunkt
an einer Stelle an der Oberfläche des Blocks liegt.
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Die Merkmale der Erfindung, insbesondere die weiteren Merkmale der
Wandlereinheit, sollen an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt
Fig. 1 den Wandlereinheitenträger in einem mit Flüssigkeit gefüllten Bohrloch, Fig.
2 eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Wandlereinheit, und F i g. 3 A bis
3 D zeigen Kraftvektorendiagramme für vier der möglichen erfindungsgemäßen Arbeitsarten.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt die Fig. 1 den Wandlereinheitenträger
10, bestehend aus einem langen zylinderförmigen Gehäuse 12, das mittels eines Kabels
14 in einem Bohrloch 16 aufgehängt ist, das mit Bohrschlamm oder Flüssigkeit 18
gefüllt ist. Das Kabel 14 trägt sowohl den Träger 10 als auch die erforderlichen
elektrischen Drähte für die Verbindung.
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Eine Mehrzahl von Wandlereinheiten 20 sind über Halterungsarme 22
schwenkbar an dem Gehäuse 12 angeordnet, wobei die Einheiten in direkte Berührung
mit den Wänden des Bohrloches 16 durch Federn im Inneren des Gehäuses (nicht gezeigt)
gedrückt werden. Jede der Wandlereinheiten kommt mit der Bohrlochwand lediglich
an einer Stelle über einen starren Kontaktknopf 24 in Berührung.
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Es ist beabsichtigt, daß der untere Ring der Wandlereinheiten als
ein Sender und die zwei oberen Ringe als Empfänger verwendet werden. Wenn auch nur
drei Wandlereinheiten an jeder Ringhöhe oder Ebene in der Fig. 1 sichtbar sind,
versteht es sich doch, daß vier derartige Einheiten tatsächlich vorliegen, die insgesamt
im gleichen Abstandsverhältnis mit 90 um den Umfang des Gehäuses 12 verteilt vorliegen
Bei einer Vorrichtung dieser Art sind verschiedene Arbeitsarten möglich. Bei einer
Arbeitsart kann die Zeitspanne aufgezeichnet werden, die zwischen Sendung und Empfang
eines Signals vergeht, so daß bei bekannter Entfernung zwischen den Ringen die Geschwindigkeit
leicht zu bestimmen ist.
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Bei einer anderen Arbeitsweise kann die Zeitspanne gemessen werden,
die ein übertragenes Signal braucht, um die Entfernung zwischen den zwei Empfängerringen
zu überbrücken, oder, wenn das Signal ein kontinuierliches Signal ist, kann die
Phasendifferenz zwischen den zwei Empfängerringen festgestellt werden. Es ist möglich,
die Geschwindigkeit eines akustischen Signals zu bestimmen unter Anwenden irgendeiner
dieser Arbeitsweisen, und die eigentliche in Anwendung kommende Arbeitsweise
ist
für die erfindungsgemäßen Zwecke nicht von Wichtigkeit.
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Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer einzigen Wandlereinheit,
die in der Lage ist, einen Kraftvektor zu erzeugen oder festzustellen, der in irgendeiner
gegebenen Richtung orientiert ist. Im wesentlichen weist jede Wandlereinheit drei
elektromechanische Wandlerelemente 26, 28 und 30 auf, die längs gemeinsamer senkrechter
oder rechtwinkliger Achsen orientiert und fest an einem metallischen Befestigungsblock
32 befestigt sind. Die Achsen schneiden einander an dem Kontaktknopf 24. Die Wandlerelemente
können piezoelektrische Zylinder aus Bariumtitanat einer magnetischen Spule und
Kernanordnung sein, und jede derselben trägt vorzugsweise ein Kappenteil 34, das
als ein Trägheitsgewicht oder als Reaktionsmasse wirkt. Die elektrischen Verbindungen
mit jeder der Wandlerelemente sind aus Gründen der deutlicheren Darstellung nicht
gezeigt. Der Befestigungsblock 32 liegt in Form einer dreiflächigen Pyramide vor,
wie man sie durch Abschneiden der Ecke eines Würfels erhalten kann. Die den Kontaktknopf
24 tragende Oberfläche stellt somit ein gleichseitiges Dreieck dar, und die anderen
drei Oberflächen sind rechtwinklige gleichschenklige Dreiecke. Die gesamte Wandlereinheit
nach der F i g. 2 findet sich im Inneren jeder der Wandlereinheiten nach der F i
g. 1, die ebenfalls so gezeigt sind, daß sie Gehäuse oder Behälter aufweisen, durch
die die Kontaktknöpfe 24 vorstehen.
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Unter Bezugnahme auf die Arbeitsweise der in den F i g. 1 und 2 gezeigten
Meßvorrichtung sei angenommen, daß die Schergeschwindigkeit der akustischen Signale
in den das Bohrloch 15 umgebenden Erdformationen zu messen sei. Durch entsprechende
Erregung der Sendewandler des unteren Rings können die resultierenden Kräfte, welche
auf die Bohrlochwand durch die Kontaktknöpfe übertragen werden, waagerecht und tangential
zu dem Bohrloch orientiert werden, wie es die F i g. 3 A zeigt. Dies bedeutet, daß
durch gleichzeitiges Pulsieren jedes der Wandlerelemente 26, 28 und 30 in jeder
der Sendewandlereinheiten vermittels Signalen ausgewählter größerer Polarität der
durch jede Wandlereinheit erzeugte Punktkraftvektor genau gesteuert werden kann
und in jedem Fall eine Form angenommen wird, wie sie in der Fig. 3 A gezeigt ist.
Die relative Signalabgleichung zwischen den Wandlerelementen, wie sie unter Ausbilden
derartiger Kraftvektoren erforderlich ist, läßt sich leicht feststellen und hängt
von der Orientierung jeder der Wandleranordnungen im Inneren des Gehäuses ab.
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Das tangentiale Kraftmuster nach der F i g. 3 A wirkt dergestalt,
daß das Bohrloch 15 transversal beansprucht wird, und erzeugt somit eine Scherwelle,
die sich durch die Erdformation fortpflanzt. Da das Kraftmuster rein tangential
ist und alle Kraftvektoren in der gleichen relativen Richtung, d. h. in Uhrzeigerrichtung,
einwirken, werden keine Druckwellen erzeugt, und da diese Kräfte direkt auf die
Wände des Bohrloches beaufschlagt und nicht durch die Bohrflüssigkeit übertragen
werden, werden keine starken, durch die Flüssigkeit bedingten Signale ausgebildet.
Um weiterhin die Ergebnisse zu verbessern, werden die durch die einzelnen Wandlerelemente
in den Empfängerwandlereinheiten durch die festgestellten Kräfte ausgebildeten Signale
in der gleichen Weise wie die Erregersignale für die Wandler-
elemente in den Senderwandlern
kombiniert, wodurch die Kräfte betont oder verstärkt werden, die in der gleichen
Richtung wie die erzeugten Kräfte orientiert sind. Anders ausgedrückt, es wird die
gleiche relative Signalbewertung sowohl in den Sender- als auch Empfängerwandlern
angewandt, wodurch die letzteren stärker auf die Kräfte ansprechen, die durch die
Senderwandler ausgebildet werden, wobei sich eine gewisse Löschung von Signalen
ergibt, die sich in den Empfängerelementen, bedingt durch äußere oder Störarten
der Energie-oder Kraftfortpflanzung, ergeben haben können. Im Gegensatz zu dem,
was zu erwarten wäre, wurde nun gefunden, daß die oben beschriebene Arbeitsweise
unabhängig davon wirksam ist, ob das Bohrloch ummantelt oder nicht ummantelt ist.
Wenn auch zu erwarten wäre, daß die Signale sich in der Ummantelung oder dem Gehäuse
schneller fortpflanzen als in der Erdformation und an dem Empfängerring oder der
Ebene ankommen, bevor die Signale ankommen, die sich durch die Erdformation bewegen,
wurde doch gefunden, daß derartige Gehäuse- oder Ummantelungssignale nur vernachlässigbare
Stärke besitzen oder praktisch alle Signale praktisch durch das Gestein hindurch
übertragen werden. Diese Arbeitsweise ist ebenfalls wirksam, um schlecht mit Zement
versehene Ummantelungen oder Gehäuse festzustellen, da in diesem Fall die akustischen
Signale von der Erdformation entkoppelt werden und nur die Signale an dem Empfänger
festgestellt werden, die sich durch das Gehäuse oder die Ummantelung hindurch verpflanzen.
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F i g. 3 B zeigt eine weitere Kraftvektororientierung, die zum Messen
der Schergeschwindigkeit angewandt werden kann. Bei allen diesen in der gleichen
Richtung wirkenden Kräften besteht die Neigung darin, das Gestein um das Bohrloch
in der Scherweise zu beanspruchen. Auch hier sind die Wandlerelemente in den Empfängereinheiten
in der gleichen Weise wie die Elemente in den entsprechenden Sendereinheiten verbunden,
um so im wesentlichen gegenüber Kraftvektoren empfindlich zu sein, die in der Senderebene
erzeugt werden. Durch Messen der Schergeschwindigkeit unter Anwendung der Kraftvektororientierungen
sowohl nach der Fig. 3 A als auch Fig. 3 B zum Vergleichen der Ergebnisse ergibt
sich eine gute Überprüfung bezüglich der Genauigkeit, die bei den Messungen erzielt
werden kann.
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Das radiale Kraftvektormuster nach der F i g. 3 C führt sowohl zu
Scher- als auch Druckwellen in praktisch der gleichen Weise wie bei einem herkömmlichen
Geophon, das in der Mitte des Bohrloches aufgehängt und durch Flüssigkeit umgeben
ist. Da die Kräfte direkt auf die Wände des Bohrloches beaufschlagt werden und nicht
mit der Flüssigkeit gekoppelt sind, wird der Betrag der durch die Flüssigkeit übertragenen
Energie stark verringert, und die angestrebten Signalmaxima in der festgestellten
Wellenform lassen sich leicht identifizieren.
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In der Fig. 3 D liegen die erzeugten Kräfte parallel zu der Achse
des Bohrloches vor, wodurch sich ein starker Longitudinaldruck der Signalfortpflanzung
ergibt.
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Diese obigen Arten stellen lediglich vier der vielen möglichen Kraftvektororientierungen
dar, die man erfindungsgemäß realisieren kann. Es versteht sich
weiterhin,
daß hier die vier Wandlereinheiten an jedem Sender- und Empfängerring lediglich
als Ausführungs beispiel gezeigt sind. Bei der praktischen Ausführung kann jede
beliebige Anzahl derartiger Einheiten angewandt werden, wenn auch eine gewisse Art
einer abgeglichenen Anordnung, d. h. Vorliegen der Einheiten im gleichen Abstandsverhältnis,
wahrscheinlich zu den besten Ergebnissen führen dürfte. Die Haupterfordernisse bestehen
darin, daß die übertragenen Signale in einer Richtung in gesteuerter Weise und nicht
in zahlreichen Richtungen ausgerichtet sind, um so eine angestrebte Fortpflanzungsart
zu begünstigen, und daß dieselben weiterhin direkt auf die Wände oder das zementierte
Gehäuse oder die Umkleidung des Bohrloches gerichtet sind, um hierdurch die unzweckmäßige
und zu nachteiliger Beeinflussung führende Energie auszuschalten oder zu unterdrücken,
die durch die Flüssigkeit bedingt wird.
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Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß
es möglich ist, in jeder der oben beschriebenen Arten dadurch zu arbeiten, daß die
relative Polarität und Größen der zugeführten elektrischen Energien zu den einzelnen
Wandlern eingestellt werden. Man kann somit wahlweise mit einer einzigen Vorrichtung
Torsionssignale sowie longitudinal und transversal schwingende Signale ausbilden.
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Weiterhin können diese verschiedenen Arten nacheinander durch manuelle
oder elektronische Schaltung ausgebildet werden. Bei einer geeigneten Schaltungsart
können diese Arbeitsweisen ausreichend schnell so verändert werden, daß eine praktisch
kontinuierliche Messung in jeder dieser Arten während eines einzigen Hindurchtrittes
des Meßwerkzeuges durch das Bohrloch erfolgt.