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EINRICHTUNG ZUM MESSEN IN EINEM EINZIGEN ARBEITSGANG DES SPEZIFISCHEN
ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES,DER NATÜR-LICHEN RADIOAKTIVITAET UND DER NEUTRON-GAMMA-INTENSI-TAET
DER VON EINEM BOHRLOCH DURCHÖRTERTEN GESTEINSSCHICHTEN Die Erfindung betrifft eine
Messonde, die bei Tiefbohrungen zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit, der natürlichen,
sowie der neutron-erregten Sadioaktivität der vom Bohrloch durchörterten Gesteinsschichten
geeignet ist.
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Die Zielsetzung der Erdindung ist die Schaffung einer solchen Messonde,
bzw. der mit dieser verbundenen
Messeinrichtung, welche die aufgezählten
Nennwerte in einem einzigen Arbeitsgang, mithin durch ein einmaliges Hinablassen
der Sonde zu messen vermag.
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Bei Tiefbohrungen werden - über eine gewisse Tiefe hinaus - zum Nachweis
der substanziellen Qualität der Gestcine, sowie zu Ermittlung der im Porenvolumen
der Gesteine befindlichen Fluiden die sog. Bohrlochmess-Methoden und die zum Vergleich
der dabei erzielten Messdaten dienenden Rechenverfahren, die sog. Bohrlochmess-Interpretation
angewendet.
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Die wesentlichsten Elemente der Bohrlochmessungen sind: die Messung
der jeweiligen elektrischen Leitfähigkeit des Gesteins, sowie der natürlichen Gammastrahlung
und der schnelle Neutronen erregten Radioaktivität.
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Der spezifische elektrische Widerstand der Gesteine wird im allgemeinen
mit Hilfe eines Elektrodensystems, weiches in das mit Spulung, demnach mit einer
leitenden Flüssigkeit angefüllte Bohrloch hinabgelassen wird, in der Weise gemessen,
dass zwischen den einzelnen Elektroden ein bestmmter Strom durch den zu messenden
Raum geschickt wird, während an einer anderen Elektrode /oder Elektroden/ der Spannungsabfall
des Stromes beobachtet wird, wobeisdiese Spannung (oder Spannungen) in Funktionsbeziehung
zum spezifischen elektrischen Widerstand der Gesteinsschichten stehen. Die Differenzen
der von der Messonde gelieferten, über Tage als Punktion der Teufe profilartig registrierten
Spannungen nennt man die scheinbare Widerstandskurve des Bohrloches, da der wirkliche
spezifischw elektrische Widerstand der Gesteinsschichten eig hiervon abweichender
Wert ist und aus den gemessenen Werten mit entsprechenden Interpretationsmethoden
bestimmt werden kann.
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Bekannt sind ferner solche Messdaten, die mit ausgerichtetem Stromfeld
arbeiten una die es ermöglichen, eine sich dem wirklichen elektrischen Widerstand
gut annähernde, scheinbare Widerstandskurve zu messen. Eine solche - an sich bekannte
- Elektrodenanordnung ist in ßbb.l dargestellt. Hier fliesst der von einem Stromgenerator
erzeugte Strom Io von der Ao bezeichneten Eleketrode zu der Elektrode Bo> während
aus
den Elektroden A1-A1' ein Strom 11 zur Elektrode B1 fliesst. Der Strom I1 wird mit
einer Steuereinrichtung so reguliert, dass von der Potentialdifferenz zwischen den
Elektrodenpaaren S1 und S2 der Null-Wert angenähert wird. Das dem scheinbaren spezifischen
elektrischen Widerstand proportionale Potential wird - bezogen auf den entferner
gelegenen Punkt N - an einer der Eleketroden Sj - S2' gemessen. Das Gehäuse eines
solchen Gerätes mit ausgerichtetem Stromfeld ist zweckmässig ein starrer Isolationskörper,
oder ein mit Isolationsmaterial z.B. mit Gummi überzogener Metallstab, an dem die
Elektroden voneinander isoliert angebracht sind. Der Werkstoff der Elektroden ist
zweckmässig Blei. Die Elektroden, bzw. Elektrodenpaare sind über ae eine Kabelader
mit den über Tage befindlichen Speise-, Steuer-, Mess- und Registriereinheiten verbunden.
Um die geometrischen Abmessungen des Gerätes klein zu halten, sind am starren Gerätkörper
nur die die Form des ausgerichteten Stromfeldes beeinflussenden Elektroden angebracht,
während die sog. Bernelektroden Bot B1 und N an einem biegsam isolierten, umhüllten
Kabel, dem sog.
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Kopfkabel, bzw. in der Nähe der Tagesoberfläche angeordnet sind. Zum
Messen sind je nach dem Elektrodensystem 4, maximal 6 Kabeladern erforderlich; dies-wird
von den in der Praxis verbreiteten, siebenadrigen gepanzerten Bohrlochmess-Kabeln
gesichert.
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Die am häufigsten angewendeten radioaktiven Messmethoden, nämlich
die Intensitätsmessungen der natürlichen-Gamma - und der mit schnellen Neutronen
erregten Gammastrahlen werden im allgemeinen mit denselben Messonden gleichz3itig
durchgeführt.
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Die Sonde bereits bekannter Ausführung für solche Messungen ist in
Abb.2 zu sehen. Die natürliche Gamma-Intensität wird vom Detektor 1 wahrgenommen.
Der von Quelle 3, welche die Schnellneutronen entsendet, im Abstand von 0,5-t,7
m angeordnete Detektor 2 misst die erregte Neutronen-Intensität. Die einzelnen Gamma-Einschläge
werden von dem Verstärker 4 verstärkt und in Form von Impulsen über eine gemeinsame
Kabelader an die
obertägigen Integrier-, Zähl- und/oder Anzeige-Einheiten
weitergegeben. Um die gemeinsame Kabelader auszunützen, werden die vom Detektor
1 und 2 eintreffenden Einschläge als Impulse von entgegengesetzter Polarität (positiv
und negativ) nach obertrags weiter gegeben. Die Detektoren sind - in bekannter Lösung
- entweder Geiger-Müller-Zähler oder Szintillationszähler.
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Die mit den beschriebenen Geräten durchgefüührten Messungen des spezifischen
elektrischen Widerstandes und die radioaktiven Zweiparameter-Messungen können mit
den bisher bekannten Messonden zeitlich nur nacheinander ausgeführt werden. Beide
Messungen sind ausserordentlich zeitraubend.
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Die elektrische Widerstandsmessung dauert in einem BohrlochS abschnitt
von 1000 m Länge 2-3 Stunden, die radioaktive Messung sogar ; 5-6 Stunden, während
welcher Zeit die mit dem Bohrloch verbundenen Arbeiten ruhen und auch die Messeiiichtung
für andere Aufgaben nicht frei ist.
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Diese Schwierigkeiten, bzw. die damit verbunden Zeitverluste sollen
durch die lösung gemäss der vorliegeiiden Erfindung beseitigt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine solche Messonde, die zum Messen
der elektrischen Leitfähigkeit der von dem Borloch durchörterten Gesteinsschichten
durch einfache Widerstandsmessung, oder durch Widerstandmessung mit gerichtetem
Stromfeld, sowie zum Messen der natürlichen und neutronenerregten Radioaktivität
mit Hilfe einer einzigen Sonde geeignet ist, wobei die Sonde eine eingebaute Neutronenquelle,
ferner die natürliche Gamma-Intensität messenden Detektoren, die von der Neutronenstrahlung
erregten Gammaintensität messenden Detektoren, sowie einen Verstärker besitzt und
so aufgebaut ist, dass der Aussenmantel der zweckmässig aus Stahl gefertigten druckfesten
Messkammer mindestens auf die Länge des Innenmessraumes der Kammer mit Isoliermaterial
bedeckt ist, im Isoliermaterial aber versenkt befestigt, mindestens zwei metallische,
zweckmässig aus Blei gefertigte ringförmige Elektroden vorhanden sind, wobei die
eine der Elektroden in der Halbierungslinie
der ganzen Sondenlänge
eingebaut ist, ferner die aus der druckfesten abgedichteten Messkammer zu den Aussenelektroden
führenden, durch die Kammerwand drucksicher durchgeführten und in die Isolationsumhüllung
eingebetteten Stromleiter besitzt, wobei der Detektor zum Idessen der natürlichen
Gamma-Intensität oberhalb der normal zur La"ngschse der Sonde gelegten Halbierungsebene,
der Detektor zum Messen der erregten Neutron-Intensität und die Neutronenquelle
aber unterhalb dieser Halbierungsebene angeordnet sind.
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Der obere und untere Abschlussteil der Messonde ist metallisch ausgeführt
und der Sondenkörper selbst so gestaltet, dass die Messonde auf ihre ganze Länge
- also an dem mit Isolation bedeckten 'l'eil, sowie an der Aussenfläche des Metallischen
Kopf- und Sohlenteils einen konstanten Aussendurchmesser hat.
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Die aus dem Innern der Messonde - mithin aus dem zum mit angenähert
atmosphärischem Druck - in den unter Druck befindlichen Aussenraum vorgesehenen
Durchführungen sind druckfest und elektrisch isoliert ausgebildet; das Dichtungsmaterial
ist zweckmässig Teflon und die Räum zwischen den Montagestellen der Durchführungen
sind vorzugsweise mit einem andern Dichtungsmaterial, z.B. zweckmässig mit Silikonlack
ausgefüllt.
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binde der metallischen Aussenmesselektroden der Messsonde bildet
die Mittelsymmetrieebene der ganzen Sonde, und die beiden Endstücke mit metallischer
Oberfläche - das Kopf-und das Fusstück - sind von dieser Ebene im gleichen Abstand
angeordnet.
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Die Neutronenquelle ist im unteren, also dem Fussteil der Sonde untergebracht,
u.zw. in einem von dem Messraum getrennten Hohlraum, sodass die Neutronenquelle
ohne Zerlegen der Messonde leicht und schnell ausgebaut werden kann.
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Das Bohrlochmess-Kabel ist im Kopfteil an die Sonde angeschlossen.
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Die Messonde gemäss der Erfindung soll als Ausführrungsbeispiel anhand
der Abblidungen Fig. 3-6 näher erläutert
werden. Dabei stellt Fig.
3 die Aussenform und Inilenanordnung der llesssonde gemäss der Erfindung als Prinzipskizze
dar.
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Der Sondenkopf 5 ist über die elektrische Durchführung 6 am Kabel
angeschlossen, und setzt sich im rohrartig ausgebil deten Gerätkörper 7 fort. Auf
dem mit verringertem Durchmesser gefertigten Sondenschaft 7 ist der Ginamimantel
8 aufvulkanisiert. An der Aussenfläche des Mantels 8 sind in den bei der Vulkanisierung
ausgesparten Nuten die zweckmässig aus Blei gefertigten Elektroden 9 und 10 angebracht,
beispielsweise in einer Verteilung, die den BedinGungen des Messens mit ausgerichtetem
Stromfeld entspricht. Im Innern des rohrartigen Sondenschaftes 7 ist als getrennte
einheit die radioaktive Messonde 11 eingebaut. In dieser sind die Detektoren 1 zum
Anzeigen der natürlichen Gamma-Intensität oberhalb und unterhalb des den Bezugspunkt
des Widerstandmessystems bildenen Elektrode 10 (in Big. 1 der Punkt Ao) angeordnet.
Am unteren Ende der radioaktiven Messonde und zwischen den Detektoren 1 und 2 befindet
sich der Verstärker 4. Der Sondenschaft endet unten in dem Anschlusstück 12. An
diesem kann mit Gewindeverbindung das die Neutronenquelle 3 enthaltende Gehäuse
13 angeschlossen werden, in dem nach dem Entfernen der Abschlusskappe 14 die Neutronenquelle
3 ohne Zerlegen der sondigen Sondenteile ausgetauscht werden kann.
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Das elektrische Schaltbild der Sonde gemäss der Erfindung ist in
Fig. 4 zu sehen. Die Leitungen 15-16-17-18 sind am Sondenschaft 5 neben der radioaktiven
Sonde 11 vorbeigeführt; sie treten über entsprechende Durchführungen aus dem Sondenschaft
aus und sind an die Elektroden bzw. Elektrodenpaare 19-20-21-22 angeschlossen. Die
von den Durchfuhrulagsstellen zu den Elektroden führenden Leitungen werden noch
vor dem Auftragen des Gummimantels 8 aufgelegt und somit in den Mantel einvulkanisiert.
Die angeschlossene Ader 23 und die Erdleitung 24 dient zur Stroiave:-sorgung bei
den radioaktiven Messungen bzw. zur Weitergabe der Detektor-Impüulse. Die Fern-Elektroden,
welche die Rückführungspunkte
der Widerstandsmessung bilden, werden
in bekannter Weise am Kopfkabel befestigt.
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In dem Innenraum der Sonde gemäss der Erfindung herrscht im Sondenkopf
5 una im Sondenschaft 7 ungefähr atmosphärischer Druck, während ausserhalb der Sonde
der Druck dem von der rlleufe und Spülungswichte bestimmten hydrostatischen Druck
entspricht. Die Ausführung für die-Austrittsstellen der zu den Elektroden führenden
Leiter 25-26-27-28 ist wegen der herrschenden grossen Druckdifferenz ausserordentlich
schwierig.
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Art und Weise der Ausführung dieser Durchführungsstelle ist in Fig.
5 zu sehen. Die Austrittsleitungen 25-26-27-28 treten über die Durchführungen aus
Stahl 29 und die Durchführungen aus Kunststoff 30, zweckmässig leflon aus dem atmosphärischen
Raum aus und gelangen weiter zu den einzelnen Blektrodeu.
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Im Innern des Sondenschaftes sind die Durchführungen mit Hilfe der
Eabelschuhe 32 an je eine Kerze 31 angeschlossen. Das obere Ende der Kerzen 31 bilden
die Hülsen 33, an denen die am unteren Ende des Verstärkers 4 befindlichen Stecker
angeschlossen sind.
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Der Innenraum an den Durchführungen 29 und 30 ist durch Ausgiessen
mit Silikonlack 34 fixiert und dadurch gegen das Eindringen der Spülung abgedichtet.
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Der Aussendurchmesser der so konstruierten Sonde kanu bis 90 mm vermindert,
und somit in jedes mit einem für Tiefbolirungen üblichen Meissel niedergebrachte
Bohrloch eingelassen werden. Bei der Sonde gemäss der Erfindung ist der Sondenkopf
5 und untere Anschluss 12 von der Elektrode 10 genau im gleichen Abstand angeordnet.
Damit kann erzielt werden, dass die mit dem Spülungsraum in Berührung stehenden,
und auch untereinander in metallischem Kontakt befindlichen Geräteteile die Ströme
des gerichteten Stromfeldes nicht beeinflussen, da die Elektrode 10 der Symmetriepunkt
des ganzen Systems bedeutet.
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Mit der auf diese Weise konstruierten Sonde können die dreierlei oft
angewendeten, zeitraubenden Messungen in einem einzigen Messgang durchgeführt werden.
Da die üblichen Registriergeräte ein
gleichzeitiges Registrieren
von sieben Parametern gestatten, eignet sich das Gerät zur Durchführung solcher
Messungen, und das Messen auf diese Art ist tatsächlich mit einem Zeitgewinn verbunden.