DE1623464B2 - Verfahren zum akustischen Untersuchen von ein Bohrloch umgebenden geologischen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum akustischen Untersuchen von ein Bohrloch umgebenden geologischen Medien, bei dem akustische, praktisch identische Signale gesendet und jeweils mehrere Extremwerte enthaltende Empfangssignale in Höhen konstanten Abstands, bezogen auf die jeweiligen Emissionshöhen im Bohrloch, erfaßt werden, bei dem aus den Empfangssignalen Amplitudenverhältnisse gebildet und diese Amplitudenverhältnisse gegenüber den ihnen zugeordneten Bohrlochtiefen aufgezeichnet werden.

Ein solches Verfahren ist in der US-PS 32 51029 beschrieben, wo die Amplitude der ersten Halbwclle des empfangenen Signals, aber kein Amplitudenverhältnis innerhalb eines Signals gemessen wird, denn es handelt sich um die Messung des Verhältnisses der Intensitäten der jeweils an einem ersten sowie einem zweiten Empfänger empfangenen Signale.

Nach der weiterhin bekannten US-PS 31 02 251 wird die Dämpfung eines Signals zwischen zwei Empfängern gemessen.

Allgemein kann man im übrigen ausführen, dal! Amplitudenverhällnisse von Signalen, die jeweils von zwei unterschiedlichen Empfängern aufgefangen wurden, ermittelt wurden.

·"> Eine Messung der Permeabilität von Formationen ist jedoch aufgrund der untersuchten Größen nicht möglich.

Auch die DE-PS 1197 638 kann keine Lösung

anbieten, da es dort einfach um ein Signalumwandlungs-

H) verfahren geht, bei dem zur Untersuchung zwei benachbarte Schwingungswcllenzüge herangezogen werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zum erstenmal ein Verfahren zum Herstellen i") akustischer Diagraphen der Mobilität vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

ff

daß zur Ermittlung der Mobilität — die Amplitudenverhältnisse jeweils aus wenigstens zwei der ersten drei Extremwerte eines einzigen Empfangssignals, welches einem einzigen Wellentyp entspricht, gebildet werden.
Definiert ist die Mobilität

K^-Q dp
2"; /ι S dx

wo O die Menge des umgebenen Huidums der Viskosität /(. ist, d,aß durch eine Gesteinsschicht mit dem Querschnitt S und der Dicke dx strömt, wenn die jo Druckdifferenz zwischen den beiden Oberflächen der Schicht mit dem Abstand dx gleich dp ist. K wird meistens in Millidarcy ausgedrückt.

Weitere Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung geben sich aus den übrigen Patentansprüchen,
j") Es ist also möglich, nach den · Maßnahmen der Erfindung, quantitativ als Funktion der Tiefe die Permeabilität der durch eine Sondieriingsbohrung erbohrten Schichten festzustellen.

Man kann auch das Amplitudenverhältnis zwischen •ίο dem dritten und dem ersten Extremwert ersetzen, und zwar beispielsweise durch das Ainplitudenverhällnis entsprechender Vollseilwingungcii.

Als besonderer Fortschritt ist die Ermittlung der Permeabilität selbst beim Vorhandensein eventueller 4) Tonschichten zu nennen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der Figuren näher erläutert werden. In diesen zeigt

F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung, mit der von einem Bohrloch durchsetzte Gesteinsschichten durch die Emission akustischer von einer Sonde ausgehender Signale in Schwingungen versetzt werden;

Fig. la zeigt den Charakter des zur Emission häufigsten verwandten Signals;

Y) Fi g. 2 und 3 sind zwei Beispiele für vom Empfänger der Sonde aufgenommene Wellcnzüge, die analysiert wurden;

Fig. 4 zeigt den dekadischen Logarithmus Her Permeabilität der von einer Bohrung durchsetzten bo Gesteine als Funktion der Tiefe;

Fig. 5 stellt gegenüber Fig.4 die Aufzeichnung der Permeabilität für das gleiche Bohrloch dar, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhallen wurde;

F i g. 6 und 7 zeigen zwei Züge akustischer Wellen, bei b^r) denen man den Wellenberg der Maximalamplitude der Transvcrsalwellen sowie die beiden benachbarten Wellenberge isoliert hat;

Fig. 8 ist ein Frakturieriingsdiagramm der von einer

liohruni; tlurchschniiienen (iesieme. herpesiellt nach einem klassischen Verfahren:

Γ i g. 4 /cigi tlemi'.efjcniiher eine Aufzeichnung durch Brüche, tlie nach dem erfindungsgeniäßen Verlahren hergestellt wurtle: ">

Fig. 10 zeigt ein Schaltbild einer völlig automatischen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens; F i g. I 1 eine Variante zu dieser Vorrichtung, und Fi g. 12 erläutert eine besonders interessante Ausführimgsform einer Vorrichtung mit zwei Sendern. m

In Fig.) ist schematisch ein Beispiel für eine Vorrichtung gezeigt, die eingesetzt werden kann, um mittels Schallwellen die Formationen, die durch eine Sondierungsbohrung 1 durchschnitten werden, in Schwingungen zu versetzen. π

Diese Vorrichtung umfaßt eine Sonde 2, die in das Bohrloch bis in Höhe der untersuchten Formation 3 herabgelassen ist. Diese besteht aus einem Sender 7"für Schallwellen und einem Empfänger R, der wie der Sender Γ nach dem Magnetoslriküonsprinzip arbeiten kann.

Der Sender rsendet, beispielsweise 10- bis 20mal pro Sekunde, in alle Richtungen .Schallimpulse, die durch R nach Ausbreitung über die explorierte Formation 3 in der Nähe des Sondierungsbohrlochs empfangen wer- y, den, wobei tlie Steuerung der Emission über ein elektronisches Gerät 7 mit periodischer Steuerung, das sich an der Oberfläche befinden kann, erfolgt.

Um zu verhindern, daß R Schallwellen empfängt, die durch den Sondenkörper 2 übertragen werden, ist tieren jo Teil zwischen Γ und R so aufgebaut, daß er vom Schall mit langsamer Ausbreitungsgeschwindigkeit durchlaufen wird (er besteht beispielsweise aus einem zentralen Kunststoffdorn), und der Empfang ocv Wellen durch R ist auf ein kleines Zeitintervall nach der Emission durch j-> T begrenzt. Auf diese Weise stören die durch den Körper der Sonde übertragenen Wellen nicht die über die Formation 3 übertragenen.

Die ausgesendeten Schallimpulse können Frequenzspcktren im Bereich von Kilohertz bis Megahertz und beispielsweise 20 — 30 Kilohertz besitzen. Die ausgesandten Impulse besitzen beispielsweise das Aussehen einer gedämpften Harmonischen, wie in Fig. la dargestellt, wo als Funktion der Zeit t die Ampliludenänderungen des Impulses dargestellt sind. Der cntsprc- 4-, chcnde, vom Empfänger R erfaßte Wellenzug ist auf dem Schirm des Oszilloskops 4 sichtbar, das mit der Sonde 2 über das elektrische Kabel 5 verbunden ist. Die elektrische Verbindung zwischen einerseits dem Oszilloskop 4 und der Steuereinrichtung 7 und andererseits -,0 den entsprechenden elektrischen Leitern des Kabels 5 wird auf übliche Weise über Schleifringe bewirkt, die isoliert auf der Welle 8 der Trommel 9 zum Aufwickeln des Kabels 5 aufgesetzt sind. Die Schleifringe sind mit den Leitern des Kabels 5 verbunden; jeweils mit dem ■-,-> Oszilloskop 4 und der Steuereinrichtung 7 verbundene Bürsten schleifen auf diesen Schleifringen.

Die Form des vom Empfänger R aufgenommenen Wellcnzuges ist beispielsweise wie in Fig. 2 oder auch in Fig. 3dargestellt. bo

In diesen Figuren ist die Amplitude (in Millivolt) der bei R empfangenen Schallwelle als Funktion der Zeit 1 (in Mikrosckunden)dargestellt.

Vor den beiden Wellenzügen wird ein Wellenberg 6, in Emissionszeilpunki des Schallinipulses durch den (,<-, Sender T, aufgezeichnet.

Untersuchungen tier Ausbreitung der ausgesandien Schallwelle in tier betrachteten l'ormatioii führen dazu.

/Ii iinierscheiden in eine Komponente dieser Welle parallel zur Achse des Bohrloches (Kompressionswelle) \m<.\ eine Transversal- oder Schcrungskomponenie (Transversal- oder Scherungswcllc).

Die Kompressionswelle verläuft vom Sentier T zum Empfänger R in einem Volumen der Formaiion 3, das praktisch gleich einem Zylinderring ist.

Die schnellste ist die Kompressionswelle. Man kann also annehmen, daß die ersten Wölbungen der Welle /Ai, A₂ und /\jdes Wellenzuges allein auf die Kompressionswelle zurückgehen.

Indem mittels des Empfängers R der Wellenzug entsprechend einem identischen akustischen Signal auf verschiedenen Bohrlochhöhen empfangen wird und jedesmal eines der Verhältnisse

I - -5-

r-^lh

der Amplituden der Wellenkämme der beiden ersten Wellenberge und Täler, beispielsweise Aj und Ai oder Ai und A) des empfangenen Wellenzuges, gemessen werden, wurde festgestellt, daß eine sehr enge Korrelation zwischen diesem Verhältnis und der

Messung des Verhältnisses — oder der Beweglichkeit

bestand, wobei K die Permeabilität der Formation 3 in Höhe der Sonde 2 ist, die diesen Wellenzug erzeugt hat, //. ist die Viskosität des'die Formation imprägnierenden Mediums, wobei dieses Verhältnis im übrigen in üblicher Weise an in verschiedenen Höhen entnommenen Proben festgelegt wird.

Die Amplituden h], h₂ und /;j hängen natürlich von der Maximalamplitude des bei rausgesandten Schallimpulses ab. die Verhältnisse

-r- und -~ lh Κ

sind jedoch hiervon unabhängig und damit erlaubt die Messung eines dieser Verhältnisse an den bei R empfangenen Schallwellenzügen, entsprechend den verschiedenen Höhen der Sonde im Bohrloch, die quantitative Bewertung bzw. Berechnung der Permeabilität der durch die Sondierungsbohrung längs dieser durchbohrten Gesteine, oder genauer gesagt die

ff

Festlegung des obengenannten Verhältnisses —.

Beispielsweise zeigt F i g. 4, als Funktion der Tiefe z, den dekadischen Logarithmus der Permeabilität K der durch eine Sondierungsbohrung durchsetzten Gesteine (Permeabilität der regelmäßig alle 33 cm längs des Bohrlochs bei diesem Versuch entnommenen Proben); F i g. 5 illustriert die Veränderungen des Verhältnisses

r _*3

wobei die Tiefe ζ auf den gleichen Diagrammen entsprechend ist. Bei diesem Beispiel werden die am Empfänger R der Sonde ankommenden Sehallwellenziige (F i g. 2 und 3) für verschiedene Tiefen dieser Sonde aufgezeichnet, indem mittels einer mit dem Oszilloskop 4 synchronisierten Kamera die auf dem Oszilloskopschirm nach etwa jeweils 30 cm Sondenanhebung erscheinenden Bilder photographiert werden.

Es ist ersichtlich, daß die Korrelation zwischen der Kurve nach Fig.4 und der nach dem erfindungsgemä-

Ben Verfahren erhaltenen nach I·" i g. 5 ganz besonders augenfällig isi.

Die Beziehung zwischen dem Verhältnis

ist von der Art

tr

/_r = «log,o—+ ß,

wo λ und β numerische Koeffizienten praktisch konstanter Werte für ein und dasselbe Sondierungsbohrloch sind. /,. kann als Maß des Verhältnisses

— betrachtet werden, so K gleich der Permeabilität der

gegenüber der Sonde vorhandenen Formation und μ gleich der Viskosität des diese Kormalion imprägnierenden Mediums ist.

Ist das Gestein isotrop, so wird durch I₁. die tatsächliche Beweglichkeit gemessen.

Wenn dieses Gestein mit isotropem Gefiige Frakturen ausreichenden Abstandes aufweist, so ist die so gemessene Mobilität K gleich der des die Frakturen trennenden Gefüges.

Weist das Gestein sehr eng aneinanderliegende Risse auf, so wird durch /_cdie Gesamtpermeabilität gemessen, wobei die Permeabilität des Gefüges und die aufgrund der Risse berücksichtigt wird. Im übrigen kann man für den Fall, in dem das nicht isotrope Gestein eine Permeabilität aufweist, die in Vertikal- und in Horizontalrichtung unterschiedlich ist, annehmen, daß /, ziemlich genau die vertikale Permeabilität des Gesteins darstellt, da sich die Kompressionswelle vertikal fortpflanzt.

Es wurde festgestellt, daß die erstellten Diagraphien bzw. Aufzeichnungen der Permeabilität nicht durch das Vorhandensein von Ton in den durch die Sondierungsbohrung durchschnittenen Gesteinen gestört wurden. Dieses Ergebnis ist auffallend, da die tonhaltigen Formationen eine erhöhte Porosität jedoch bei Poren kleinerer Abmessungen und damit einer Permeabilität Null aufweisen, so daß man glauben könnte, daß die Porosität dieser Formationen an gewissen Stellen die hergestellten Diagraphien verfälschen könnte, in dem sie sich auf diese als »Falschpermeabilität« übertragen.

Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß dem nicht so ist und daß die erhaltenen Permeabilitäts-Werte sehr schön die tatsächliche Permeabilität der durch die Sondierungsbohrung durchsetzten Bodenschicht wiedergaben.

Da die Permeabilität eines Gesteins nicht nur mit der Permeabilität ihres Gefüges, sondern auch mit dem Frakturierungsgrad dieses Gesteins zusammenhängt, wobei nur die nicht kolmatierten Brüche in Betracht kommen, ist es wichtig, daß man einer Diagraphie, beispielsweise nach Fig. 5, eine Diagraphie zuordnet, die die Variationen dieses Frakturierungsgrades in der Gesamtlänge über das Bohrloch darstellt.

Zur Zeit erstellt man solche Frakturierungs-Diagraphien am häufigsten durch Beobachtung von in verschiedenen Tiefen entnommenen Bohrkernen.

Beim Auswerten wird in einem Diagramm die Anzahl der Brüche in den Proben festgestellt, die den Erdschichten in wachsenden Tiefen entsprechen sowie die mittlere Öffnung der Brüche in jeder der Schichten, die Richtung der Bruchflächen, die auf drei Typen zurückgeführt sind; Hori/.ontalrichuing, Vcrlikalriehlung und Schrägriehlung und schließlich die gegebenenfalls vorhandene Kolmalion der Brüche.

Ein Kraktiirierungs-Diagramm ist in Fig. 8 darge-

■-) stellt, wo man auf der Ordinate für jede untersuchte Bodenschicht das Produkt /-"der Bruchanzahl mil ihrer minieren Öffnung, ausgedrückt in Zehntel Millimeter, aufgetragen hai.

Es wurde nun gefunden, daß das Verhältnis der

ίο Amplitude des Kammes der Wölbung mit maximaler Amplitude des durch den Empfänger R der Sonde empfangenen Wcllcnzugcs zur Amplitude des Kammes einer Wölbung, die der Wölbung mit Maximalamplitude des Wellcnzuges benachbart ist, für den Frakturierungsgracl repräsentativ war.

Dieses Resultat wird erklärlich, wenn man beachtet, daß in der Nähe der Wölbung der Maximalamplitudc des Wellcnzuges diese im wesentlichen gebildet wird durch die Welle der Querausbreilung entsprechend der Ankunft am Empfänger R derjenigen akustischen Wellen, die nach einer Ausbreitung in Richtung senkrecht zur Bohrlochachse reflektiert wurden. Die Festlegung des obengenannten Verhältnisses entspricht also der Anwendung des Verfahrens auf eine Welle mit Transversalausbreitung, die besonders empfindlich für die Komponente der Horizontalpermeabilität ist und selbst durch die Brüche bzw. Frakturen unabhängig von deren Orientierung beeinflußt ist.

Die Fi g. 6 und 7'zeigen zwei Beispiele für akustische

jo vom Empfänger R empfangene und auf das Osziiloskop übertragene akustische Wellenzüge, bei denen lediglich die der Maximalamplitude benachbarten Wölbungen betrachtet werden — diese benützten Wölbungen sind mit verstärkter Linienführung im Wellenzug eingezeichnet. Man bestimmt die Werte, die durch einen mit der Amplitude des Wellenkammes der Wölbungen zusammenhängenden Parameter genommen wurden. Man mißt für jede Stellung der Sonde den Wert dieses Parameters für die Wölbung mit Maximalamplitude, beispielsweise die Amplitude Ιίμ der Wölbung Am der Maximalamplitude der Transversalwelle und den Wert dieses Parameters, beispielsweise die Amplitude Λμ-ι oder fiM+i für eine der Wölbungen (Am-\ oder Am+]), die der Wölbung mit Maximalamplitude bei dieser Transversalwelle benachbart ist und man bestimmt eines der Verhältnisse

¹Af

oder

^r'M+l

Trägt man die durch das eine oder andere dieser Verhältnisse in Funktion der Tiefe der Sonde ermittelten Werte auf, so erhält man eine Diagraphie, wie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt, die gegenübergestellt mit dem Diagramm nach Fig. 8 eine ausgezeichnete Korrelation mit dem Fraklurierungsgrad der durch die Sondierungsbohrung durchsetzten Schichten erkennen läßt.

Eines der Verhältnisse

'Af

bzw.

'Af

'¹Af +1

kann also dafür ausgenutzt werden, quantitativ den Frakturierungsgrad der Gesteine oder die Permeabilität des Bruches darzustellen, man wählt insbesondere das erste Verhältnis.

Für den Fall, wo zwei Wölbungen der Transversal-

welle die gleiche Maximalamplitude darzustellen scheinen, beseitig! man die Mehrdeutigkeit, indem man als Maximalampliludcnwölbung die wählt, für die die Tangente in dem Punkt entsprechend dem Ausgangspunkt der Wölbung den größeren Wert zeitigt.

Die vertikalen Frakturen haben kaum einen Einfluß auf den Wert

H₁ '

der zur Erstellung der Diagraphic nach F i g. 5 benutzt wurde, und besitzen jetzt einen nachweisbaren Einfluß auf die Werte

"M-I

"M+l

IO

da diese Verhältnisse, ausgehend von der Transversalwclle, festgelegt sind.

Aus Vorstehendem ergibt sich, daß durch die Erfindung Mittel geliefert werden, durch die man eine Permcabilitals-Diagraphie (F i g. 5) erstellen kann, in die sich hauptsächlich die Änderungen der Vertikalpermeabilität des Gcfügcs der durch eine Bohrung durchsetzten Gesteine übertragen, und daß man (Fig. 9) eine Diagraphie der kombinierten Permeabilität erstellen kann, in der die Horizontalpermeabilität des Gefüges und die Permeabilität der Brüche bzw. Frakturen umfaßt werden. '

Fig. 10 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Ausführungsform einer völlig automatischen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, um beispielsweise die Messung des Indexes der Permeabilität oder der Beweglichkeit, beispielsweise die Kennwerte /_c· und l'_c — wie oben erläutert — in verschiedenen Höhen der Bohrung durchzuführen.

Im Diagramm bezeichnet 10 eine zweckmäßige Synchronisiereinrichtung bekannter Bauart, die dazu dient, eine Korrespondenz zwischen den durch den Empfänger R empfangenen Züge aufeinanderfolgender Wellen und zwischen den verschiedenen Höhen in der Sondierungsbohrung zu schaffen, die durch eine Detektoreinrichtung 11 für das Vorbeilaufen des die Sonde 2 tragenden Kabels 5 markiert werden.

Bei den vom Empfänger R empfangenen Zügen oder Verläufen aufeinanderfolgender akustischer Wellen besitzt der Wellenberg A\ der Druckwelle für eine gegebene Vorrichtung immer gleiche Polarität; ihm voran geht im allgemeinen eine Wellenwölbung, Vorläufersignal genannt, deren Polarität immer entgegengesetzt ist und die man von der Wölbung bzw. dem Wellenberg A\ unterscheiden muß (dieser Vorläufer ist in den F i g. 2 und 3 nicht dargestellt).

Zu diesem Zweck kann man beispielsweise einen Vorversuch, etwa an der Oberfläche, durchführen, indem man die Sonde in ein künstliches Eichbohrloch klassischer Bauweise einführt, das beispielsweise aus einem mit Glaskugeln gefüllten Rohr besteht. An den durch den Empfänger R während eines solchen Versuches empfangenen Signalen ist es leicht, den Vorläufer von der ersten Wölbung A\ zu unterscheiden, wobei letztere eine erheblich höhere Amplitude aufweist, was es möglich macht, die jeweiligen Polaritäten für die verwandte Vorrichtung festzulegen.

Die schematisch in Fig. 10 dargestellte Vorrichtung weist eine Einrichtung 12 zur Schwellenwertregelung der Empfindlichkeit auf, durch die lediglich die bei R empfangenen Wellcnzüge zugelassen werden, deren Intensitätsniveau über dem der Eird- und Vorrichtungsgeräusche liegt.

Die Schwellenwertregeking kann beispielsweise über eine übliche Einrichtung der Mnemolron-Bauart 13 erfolgen, und zwar während eines vorhergehenden Vorganges, der während des Herablassens der Sonde in das Bohrloch ausgeführt werden kann.

Diese Vorrichtung bewirkt ein »Eichen« der Ordinaten eines Wellenzuges und liefert die algebraische Summe der Proben der gleichen Abszisse für η Messungen auf jeder Bohrlochhöhe.

1st π ausreichend groß, so verschwindet der Einfluß des Geräusches in dieser algebraischen Summe, und zwar aufgrund des zufallsbedingten Charakters dieses Geräusches (der Mittelwert der Geräuschkomponenten ist Null).

Dadurch, daß während des Herablassens der Sonde in das Bohrloch Vormessungen mit einem Orientierungswert vorgenommen werden, wird es durch diese Speichervorrichtung möglich, den kleinsten Wert des Ampliludenkammes der ersten Wölbung der Kompressionswelle festzulegen, deren Polarität von da an ja bekannt ist; es wird damit möglich, automatisch den Empfindlichkeitsschwellenwert der Einrichtung 12 (mit der die Speichereinrichtung durch eine in Fig. 10 gestrichelt eingezeichnete Leitung verbunden ist) auf eine festgelegte Fraktion dieses Minimalwertes festzulegen, der so gewählt ist,, daß der Geräuscheinfluß auf die nachfolgenden Messungen eliminiert wird.

Der Unterbrecher K' ermöglicht es, gegebenenfalls das Mnemotron 13 beim Aufwinden abzuschalten.

Durch Verwendung dieses Mnemotrons während des gesamten Diagraphicvorganges ist es also möglich, auf die Empfangsschwellenwertrcgclungseinrichlung 12 zu verzichten.

Diese Schwellenwertregelung kann von Hand nach Markierung auf dem Oszilloskopschirm 4 während des Herablassens der Sonde von dem kleinsten durch die Amplitude des Wellenkammes der ersten Wölbung aufgenommenen Wertes durchgeführt werden.

Der bei 12 austretende Akustikwellenzug hat beispielsweise die bei Du dargestellte Form.

Er wird auf den Eingang der Mittel zur Erfassung der ersten Wölbung A\ der Kompressionswelle gegeben, wobei diese Mittel beispielsweise gebildet werden durch den Unterbrecher 14, dessen Schließen nur bei Eintreffen eines Signals mit einer Polarität gesteuert wird, die der oben festgelegten für die erste Wölbung entspricht und wobei die Intensität größer sein muß als die des oben ebenfalls festgelegten Schwellenwertes, wobei der Unterbrecher dann geschlossen bleibt.

Der Teil des mit dieser ersten Wölbung beginnenden Akustikwellenzuges wird dann gegen die Detektionsmittel für die Maximalamplitude aufeinanderfolgender Wölbungen gerichtet.

Beim dargestellten Beispiel bestehen diese Mittel in Kombination aus einer Koinzidenzschaltung 15 sowie einer Parallelschaltung 16, die in Reihe aufweist:

Eine erste differenzierende Schaltung 17, die das Signal 18 entsprechend der Wölbung A\ liefert, bei dem es sich um dessen erste Ableitung nach der Zeit handelt; einen Kippkreis 19 und eine zweite differenzierende Schaltung 21, deren jeweilige Ausgangssignale, die der Wölbung A\ des Wellenzuges entsprechen, bei 20 und 22 in F i g. 10 dargestellt sind.

Das Signal 22 wird an eine der Eingangsklemmen 23 der Koinzidenzschaltung 15 gelegt, wobei das aus dem

809 510/21

Unterbrecher 14 austretende Signal an die andere Hingangsklemme 24 der Schaltung gelegt wird.

Das Signal 23 besitzt eine Spitze gleichen Vorzeichens wie das der Wölbung des Wellen/uges, der sie entsprich!, wobei diese Spitze dem Durchgang der ■'> Wölbung durch ihr Maximum (Umkehrpunkl) entspricht.

Die Koinzidenzschaltung 15 ist so eingerichtet, claü das an ihre Klemme 14 gelegte Signal nur während des kurzen Zeitintervalls entsprechend dem Anlegen eines Impulses gleichen Vorzeichens beispielsweise die Spitze 25 an ihrer Klemme durchläßt, wobei dieser Impuls gegebenenfalls vorher durch eine Zwischenschaltung zur Beeinflussung ihrer Form, falls dies notwendig wird, vergrößert worden ist. ι >

Der Wcllenzug Di> geht also durch die Koinzidenzschaltung 15 nur während sehr kurzer Zeitintervalle entsprechend den Augenblicken durch, wo die aufeinanderfolgenden Wölbungen ihre Maximalamplituden erreichen. Die bei 15 austretenden und den verschiede·· .'< > neu Wölbungen entsprechenden Signale werden an speichernde Meßgeräte 25, 26 gegeben, wo tieren Intensität gemessen und der so gewonnene Meßwert gespeichert wird. Das Gerät 25 dient zur Messung der Maximalamplitude der Wölbung A\\ das Meßgerät 26 2^r> entspricht tier der Wölbung Ai im gewählten Beispiel, wo tier durch tlie Empfangseinrichtung R aulgenommene Akustikwellenzug die bei Oi_> in Fig. K) dargestellte Form besitzt.

Die aus den Geräten 25 i.iicl 26 austretenden Signale, «ι die jeweils eine Funktion der Maximalamplituden Λ ι und Iu der Wölbungen A\ und A> sind, werden an eine Divisoreinrichtung 27 gegeben. Bei dieser kann es sich um eine bekannte Bauart hantlein, tlie in Form eines elektrischen Signals tlas Verhältnis /)i//;> ermittelt. r> wobei dieses Signal an eine Aufzeichnungsvorrichtung 28 gegeben wird.

Auf dieser Aufzeichnungsvorrichtung erscheinen so die Variationen der Kennziffer

(oben definiert), was die Veränderungen der Mobilität — in den Formationen in der Nähe der Sondierungsbohrung als Funktion der Höhe der Sonde wiedergibt, wobei die jeweilige Höhe durch die Synchronisationseinrichtung 10 markiert wurde.

Eine binäre Zählerkette 29, gebildet aus drei bistabilen Kippkreisen, die in Reihe geschallet sind, und deren Eingang an die Ausgangsklemmc der Schaltung 15 gelegt ist, bewirkt die Rückstellung der speichernden Mcßvorriehtung 25 und 26 auf Null und gleichzeitig das Öffnen des Unterbrechers 14 bei Empfang der dritten Wölbung Λ ijedes Wellcnzuges. γ,

Beim dargestellten Beispiel wird diese Rückstellung auf Null durch das Erzeugen eines Signals für den drillen Kippkreis der Kette 29 an ihrem Ausgangsende bewirkt, wobei dieser Steuerimpuls über Leiter 30 bzw. 31 auf den Unterbrecher 14 und die Anordnung der bo Meßgeräte 25 und 26 übertragen wird.

Die teilweise in Fig. 11 dargestellte Variante bezieht sich auf den Fall, wo das Verhältnis

gewählt ist und die Beweglichkeil oder die Permeabilität der untersuchten Formalionen wiedergibt.

Diese Ausführimgsform unierscheidel sich nur dadurch, daß das Anlegen des aus der Schaltung 15 austretenden Signals an eines der Meßgeräte 25 oder 26 über Unterbrecher 32 und ^i^ erfolgt, deren Schließbewegung jeweils durch Erscheinen eines Ausgangssignals am ersten (Steuerung über 32) und dritten (Steuerung über 33) Kippkreis einer Zählerschaltung 34 erfolgt, die aus vier bistabilen in Reihe geschalteten Kippkreisen besieht, was dem Durchlassen der ersten und der drillen Wölbung zum Zeitpunkt von deren Maximalamplitude entspricht.

Das Rückstellen auf Null der Geräte 25 und 26 und tlas Schließen ties Unterbrechers 14 erfolgt wie oben erwähnt gleichzeitig, indem die Leiter 30 und 31 an die Ausgangsklemme ties letzten Kippkreises tier Kelle 54 angeschlossen werden.

Es ist möglich, tlie oben mit Bezug auf F'ig. 10 oder 11 beschriebenen Einrichtungen für den Fall auszulegen, wo als Parameter, die mit den Maximalamplituden tier ersten Wölbungen ties Akusiikwellenzuges zusammenhängen, die jeweiligen Steigungen tier Tangenten (l\, /_>. l_t) an diese Wölbungen zu Beginn von tieren Empfang gewählt werden.

Es genügt also talsächlich, zwischen den Ausgang ties Unterbrechers 14 und die Parallelschaltung 16 eine differenzierende Schaltung 35 zu legen, die für tlas Signal D₁₂ das Signal D\% gleich tier Ableitung ties Signals Di_> nach tier Zeit erzeugt, tlas am Ausgang von 35 erscheint. Das Messen tier Verhältnisse tier Steigungen ii, /_>, /1 wird zurückgeführt auf eine Messung ties Verhältnisses aufeinanderfolgender Wölbungshöhen des abgeleiteten Signals Dr.. ti. h„ es erfolg! eine Rückführung auf das oben gelöste Problem.

Nach einer anderen Aiisführungsform tier in F i g. U) dargestellten Einrichtung wird zusätzlich zur differenzierenden Schaltung 55 eine Parallelschaltung vorgesehen, tlie die Parallelschaltung 16 ersetzt und zwischen den Ausgang des Unterbrechers 14 und den Eingang 23 tier Koinzidenzschaltung 15 gelegl wird, wobei tliese so eingerichtet isl. daß sie nur dann ein Signal austreten läßt, wenn das bei 14 austretende und bei 23 angelegte Signal gleich Null ist, was dem jeweiligen Beginn der verschiedenen Wölbungen entspricht, wobei das bei 15 austretende Signal dann gleich der Steigung der Tangente im entsprechenden Punkt der Wölbung ist.

In einem Fall können wenigstens zwei unterschiedliche Emissionsfrequenz.cn — entsprechend verschiedenen Abständen der Untersuchung bezüglich der Bohrlochachse — verwendet werden, wobei die Eindringtiefe der Schallwellen in die dem Bohrloch benachbarten Formationen im umgekehrten Sinn wie die Frequenz variiert. Weiter wird dabei das Verfahren für die beiden Frequenzen gelrennt durchgeführt, und die auf ein und demselben Bohrlochniveau gemessenen

Beweglichkeiten — werden mit den beiden Emissionsfrequenzen getrennt verglichen, wodurch unter der Annahme, daß die Permeabilität K wenig als Funktion des Abstandes von der Achse des Bohrloches in dessen Nähe variiert, die Viskositätsänderungen der die Formationen auf einem festgelegten Niveau als Funktion des Abstandes zur Achse der Sondierungsbohrung imprägnierenden Medien ermittelt werden können.

Eine Vorrichtung, die sich für die Durchführung tlieses Verfahrens eignet, ist in F i g. 12 schemuiseh dargestellt.

Sie arbeitet mit einer in der Akustikdiagraphie üblichen Sonde 37 mit zwei Sendern 71 und T? und zwei

Empfängern R₁ und R₂ bei gleichem Abstund /./.wischen den beiden Senilem und /wischen den beiden Kmpiüngern.

Einer der beiden Sender, beispielsweise da- Sender Ti, sendet akustische Signale mit einer Frequenz, die /wischen 20 000 und 50 000 Hertz liegen kann; der andere sendet auf einer Frequenz, die zwischen 2000 und 20 000 Hertz, beispielsweise zwischen 5000 und 10 000 Hertz, liegen kann.

Die Sender sind zur Abgabe von Kugelwellen ausgelegt und können auf dem Magnetostriktion oder piezoelektrischen Prinzip aufgebaut sein, wobei man beim letztgenannten Fall einem piezoelektrischen Quarz eine geeignete Form gibt.

Der Empfänger R\ ist auf die FnIiSSiOnSIrCqUCnZ des Senders T\ und der Empfänger R₂ auf die Frequenz, des Senders T> abgestimmt.

Die durch die beiden Empfänger aufgenommenen Signale werden an die Oberfläche über das Kabel .38 übertragen und können an ilen Schirmen zweier Oszilloskope abgelesen werden oder auf dem Schirm ein und desselben Oszilloskopes 39 mit zwei Eingängen.

Eine elektronische Folgesteuerung 40 für die Funktion jedes Senders Ti und T₂ bewirkt deren aufeinanderfolgende Erregung entsprechend dem 1 lochholen der Sonde 37.

Das eine Erregung des Senders Ti von der folgenden, an den Sender T₂ gelegte Erregung trennende Zeitintervall Al wird durch die Einrichtung 40 so eingestellt, daß das Produkt VAt gleich /. ist, wobei /. der Absland zwischen den Mittelpunkten beider Sender ist und wobei mit V die Geschwindigkeit des Hochholens der Sonde bezeichnet wird, die durch ein Detektorgerät 41 ermittelt wird, das von bekannter Bauart sein kann und das mit der Einrichtung 40 über Leiter 42 zur Steuerung der Auslösung der aufeinanderfolgenden Emissionen als Funktion der Geschwindigkeit beim Heraufholen der Sonde verbunden ist.

Unter diesen Bedingungen senden die Sender 7Ί und T) aufeinanderfolgend auf der gleichen Höhe im Bohrloch während dieses I leraufziehvorganges.

Die Anzahl der pro Meter der Heraufziehbewegung

ausgesendeten Signale ist also gleich

T₁T₂

, wobei der wählt man

ίο

Abstand T\ T₂ in Metern auszudrücken ist. Man wählt beispielsweise T|T> = 0.25m, und die Gesamtzahl der ausgesandten Signale (für beide Frequenzen) beträgt vier pro Meter (entsprechend einem Signal pro Sekunde bei einer normalen Aufziehgeschwindigkeii der Sonde von 0,25 m/sec oder 900 m/Std.).

Der Abstand E=T₁Rt=T₂R₂, vertikal im Boden gemessen, enthält wenigstens eine Wellenlänge, die der niedrigsten der beiden Emissionsfrequenzen entspricht.

Liegt zum Beispiel die niedrigste beider Einissionsfrequenzen bei 5000 Hz, wenn man als Ausbreitungsgeschwindigkeit für die akustischen Wellen den Maximalwert von 7000 m/sec, entsprechend den schnellsten Ausbreitungen in den Sedimentformationen, nimmt, so

γ-,

* = 5OJjO=MO Meter.

Die jeweils durch die Empfänger R\ und R₂ empfangenen Signale, die auf dem Schirm des Oszilloskops 39 erscheinen, können auf einem mit der Aufziehgeschwindigkeit der Sonde abgewickelten Film bei Anzeige der verschiedenen Tiefen auf den Film aufphotographiert werden.

Die Signale werden getrennt nach dem oben beschriebenen Verfahren analysiert, indem hierzu beispielsweise eine völlig automatische Einrichtung — wie die;,e beschrieben wurde — zur Festlegung der

Mobilität—durch die Kennziffern, beispielsweise I₁- und

μ
IJ, verwendet wird.

Man bildet also auf diese Weise zwei Diagraphien als Funktion der Tiefe für zwei Emissionsfrcquenzen entsprechend zwei unterschiedlichen Abständen für das Eindringen der akustischen Wellen, bezogen auf die Bohrlochachse in die benachbarten Formationen.

Die Kalibrierung dieser Diagraphien in Werten der

Beweglichkeit —wird an der Oberfläche in künstlichen

Böden bekannter homogener Permeabilität ausreichenden Volumens vorgenommen, die beispielsweise aus einer zylindrischen Hülse gebildet werden, die mit einem porösen Material gefüllt ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Glaskugeln oder Sinlermetallgranula'.e handeln, die durch eine geeignete erwärmung behandelt wurden, wobei die Zwischenräume zwischen Kugeln oder Granulaten im übrigen durch eine Flüssigkeit bekannter Viskosität, beispielsweise Schmieröl, gefüllt sind.

Die Interpretation der durch die beiden Diagraphien erhaltenen Aufzeichnung nimmt man so vor, indem man

die Werte der Beweglichkeit — in jeder Bodenschicht in

unterschiedlichen Abständen von der Wand des Loches entsprechend den beiden verwandten Frequenzen vergleicht.

Da man die Permeabilität K im allgemeinen als konstant in einer Sedimentärformation, bezogen auf die im Abstand zwischen Sendern und Empfängern von den Wellen durchlaufenen Volumina, ansehen kann, erlaubt der Vergleich der beiden für die beiden Emissionsfre-

quenzen erhaltenen Werte—bei ein und demselben

Niveau die Feststellung der seitlichen Variationen der Viskosität der die Formationen im Meßinlervall und über den untersuchten Durchmesser imprägnieienden Medien.

Selbstverständlich gibt die Diagraphie für jede Frequenz eine Anzeige tier Veränderungen der

Mobilität — in tier untersuchten Zone, welche diese!· μ

Frequenz entspricht.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum akustischen Untersuchen von ein Bohrloch umgebenden geologischen Medien, bei dem akustische, praktisch identische Signale gesendet und jeweils mehrere Extremwerte enthaltende Empfangssignale in Höhen konstanten Abstands, bezogen auf die jeweiligen Emissionshöhen im Bohrloch, erfaßt werden, bei dem aus den Empfangssignalen Amplitudenverhältnisse gebildet und diese Amplitudenverhältnisse gegenüber den ihnen zugeordneten Bohrlochtiefen aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermitt-

IS

lung der Mobilität — die Amplitudenverhältnissc

jeweils aus wenigstens zwei der ersten drei Extremwerte eines einzigen Empfangssignals, welches einem einzigen Wellcntyp entspricht, gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenverhältnisse aus der Maximalamplitude des Transversalanteils sowie aus der benachbarten Amplitude des Empfangssignals gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenverhältnisse aus wenigstens zwei der ersten drei Extremwerte des Kompressionsanteils des Empfangssignals gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenverhällnisse auf die Steigung der Tangenten des Beginns der die Extremwerte jeweils enthaltenden Wellenwölbung zurückgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenverhältnisse auf den Flächeninhalt der die Extremwerte enthaltenden jeweiligen Wellenwölbung oberhalb der Zeilachse zurückgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reihen von Ermittlungsvorgängen mit unterschiedlicher Sendefrequenz durchgeführt werden.