DE4215454C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kernresonanzsonde zum Ein­ führen in ein Bohrloch mit einem langgestreckte, zylin­ derförmigen, quer zu seiner Achse magnetisierten Perma­ nentmagneten zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds außerhalb des Bohrlochs, das in einem axialen Bereich in guter Näherung senkrecht auf der Zylinderachse steht und dessen Betrag in diesem Bereich in guter Näherung nur vom radialen Abstand von der Achse abhängt, mit min­ destens einer Hochfrequenzsende- und Empfangsspule zum Aussenden und Empfangen von Hochfrequenzsigna­ len für die Anregung und den Empfang von Protonen- Kernresonanzsignalen in einem Material außerhalb des Bohrlochs, wobei das von der Sendespule erzeugte Hoch­ frequenzmagnetfeld Komponenten besitzt, die in dem Be­ reich jeweils auf der Zylinderachse und dem statischen Magnetfeld senkrecht stehen.

Eine derartige Kernresonanzsonde ist beispielsweise aus der europäischen Offenlegungsschrift EP-A 02 37 323 und der US Patentschrift 47 17 877 bekannt. Bei der bekann­ ten Sonde wird ausgenutzt, daß das Magnetfeld eines langgestreckten, homogen quer zu seiner Achse magneti­ sierten Zylinders bis auf Effekte an den Zylinderenden senkrecht auf der Zylinderachse steht und daß sein Be­ trag nur vom radialen Abstand von der Zylinderachse ab­ hängt. Es wird eine langgestreckte kombinierte Sende- und Empfangsspule für die Hochfrequenz verwendet, deren Flächennormale sowohl auf der Zylinderachse als auch auf der Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten senkrecht steht. Damit steht in guter Näherung das von dieser Hochfrequenzspule ausgesendete Hochfrequenzma­ gnetfeld in weiten Bereichen außerhalb des Bohrlochs senkrecht auf dem vom Permanentmagneten erzeugten sta­ tischen Magnetfeld, was eine optimale Konfiguration für die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen darstellt. Im Ma­ terial der Umgebung werden die Protonen durch Hochfre­ quenzimpulse angeregt und anschließend entweder ein Spi­ nechosignal oder das Signal aufgrund ihrer freien Prä­ zession im Magnetfeld des Permanentmagneten detektiert.

Eine Kernresonanzsonde zum Einführen in ein Bohrloch, bei der mit Hilfe eines Elektromagneten Material außer­ halb des Bohrlochs in einer Richtung parallel zur Achse des Bohrlochs vormagnetisiert und anschließend Kernreso­ nanz im Erdmagnetfeld gemessen wird, ist aus der US-Pa­ tentschrift 36 67 035 bekannt.

Bei der Suche nach Ölvorkommen mit Hilfe von Kernreso­ nanzsonden besteht die Aufgabe darin, die Gesteinsfor­ mationen, die das Bohrloch umgeben, zu untersuchen. Ein langer zylinderförmiger Magnet, der quer zu seiner Achse magnetisiert ist, erzeugt in seiner Umgebung ein Ma­ gnetfeld, dessen Merkmale ganz besonders an die Erfor­ dernisse der Ölsuche angepaßt sind. Die Hauptmerkmale eines solchen Magnetfeldes sind:

1. Für einen vorgegebenen radialen Abstand von der Zy­ linderachse ist der Betrag des Magnetfeldes gegeben durch:

B_O (r) = 1/2 B_O (r<a) * (a/r)²
wobei B_O (r<a) die magnetische Flußdichte im Magneten, a der Radius des Magneten und r der Abstand des Aufpunktes von der Zylinderachse sind.

2. Der Gradient des Magnetfeldes in radialer Richtung ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

dB_O/dr = -B_O (r<a) *a²/r³
3. Bewegt man sich für einen vorgegebenen radialen Ab­ stand von der Zylinderachse auf einer Kreisbahn um diese Achse, so bleibt zwar die Magnetfeldstärke konstant, die Richtung des Magnetfeldes dreht sich jedoch zweimal bezogen auf die Richtung der Magnetisierung.

Wenn sich außerhalb des Bohrlochs in der Umgebung der Sonde Material befindet, das Protonen enthält, so regt ein Hochfrequenzimpuls durch die Spule die Kernmomente in einer Zylinderschale an, deren Lamorfrequenz gerade der Hochfrequenz des Impulses entsprechen. Der Durch­ messer der Zylinderschale hängt von der Hochfrequenz und ihre Dicke von der Bandbreite der Hochfrequenz ab. Übli­ cherweise wird mit Ferrit-Permanentmagneten von etwa 150 cm Länge und 15 cm Durchmesser gearbeitet. Die Hoch­ frequenz liegt bei 1 Megahertz und eine Zylinderschale mit einem Durchmesser von etwa 35 cm wird angeregt.

Eine wesentliche Anforderung, die an jede Kernresonanz­ sonde für Bohrlöcher gestellt wird, ist, daß Messungen auch dann ausgeführt werden können, während sich die Sonde nach oben bewegt. Eine Sonde, die nur stationäre Messungen zuläßt oder nur Messungen bei sehr langsamer Bewegung, ist weitgehend wertlos. Die obengenannte Sonde für Pulsbetrieb hat die folgenden Nachteile, die ihre Anwendung auf sehr langsame Geschwindigkeiten ein­ schränken.

1. Die Dicke der Zylinderschale, die die Menge des unter­ suchten Materials bestimmt, hängt von der Bandbreite des Hochfrequenzimpulses ab. Bei der Anwendung von Pulstech­ nik hängt jedoch die Bandbreite eng mit der möglichen Stärke des Hochfrequenzfeldes zusammen. Dadurch daß die Hochfrequenzsignale in der Umgebung absorbiert werden und weil die Umgebungsbedingungen der Sonde ungünstige Randbedingungen schaffen, ergeben sich technische Schwierigkeiten, die die Hochfrequenzfeldstärke begren­ zen, die die untersuchte Zylinderschale erreicht, was letztlich: eine sehr dünne angeregte Schale bedeutet, was seinerseits zu einem schlechten Signal-zu-Rausch-Ver­ hältnis führt. Dies wiederum macht es erforderlich, daß über sehr viele Messungen gemittelt werden muß, was die Geschwindigkeit der Sonde begrenzt.

Es gibt jedoch über diese technischen Schwierigkeiten hinaus ein wesentlich elementareres physikalisches Phä­ nomen , das mit der Pulstechnik verknüpft ist und das die Möglichkeiten, die Geschwindigkeit der Sonde zu er­ höhen, weiter einschränkt. Während der Aufwärtsbewegung der Sonde in einem ungefaßten Bohrloch sind kleine seit­ liche Verkippungen oder Verschiebungen der Sonde unver­ meidlich. Eine seitliche Verschiebung des Magneten be­ deutet jedoch eine Veränderung der Magnetfeldstärke am Ort der angeregten Zylinderschale, was seinerseits Pha­ senverschiebungen der präzedierenden Kernmagnetisierung bewirkt. Aufgrund der Symmetrie der Anordnung haben die Phasenverschiebungen an einander gegenüberliegenden Seiten der Sonde entgegengesetztes Vorzeichen. Aufgrund der minimalen Pulsbreite und unvermeidlicher Totzeiten nach dem Hochfrequenzimpuls muß das Zeitinterval zwi­ schen den Impulsen mindestens einige Millisekunden be­ tragen. Eine quantitative Analyse ergibt, daß Phasenver­ schiebungen aufgrund seitlicher Bewegungen von wenigen Mikrometern während einer solchen Pulssequenz erhebliche Verzerrungen der Signalgröße bewirken und sogar zur vollständigen Auslöschung des Signals führen. Seitwärts­ bewegungen dieser Größenordnung sind jedoch bei den für diese Messungen erforderlichen Geschwindigkeiten unver­ meidlich. Aus diesen Gründen sind die Einsatzmöglich­ keiten für Sonden mit dem obengenannten geometrischen Aufbau bisher sehr eingeschränkt geblieben.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kernresonanzsonde der eingangs genannten Art dahin­ gehend weiterzubilden, daß zuverlässige Messungen auch bei bewegter Sonde möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß voneinander induktiv entkoppelte Sende- und Empfangs­ spulen verwendet werden und daß Mittel vorhanden sind, um in die Sendespule einen Dauerstrich-Hochfrequenz-An­ regungsstrom mit der Lamorfrequenz der Kerne des Mate­ rials in einem vorgegebenen Abstand von der Zylinder­ achse einzukoppeln. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil bei einer Dauerstrichanregung die Hochfrequenzleistung kon­ tinuierlich zugeführt wird, was die technischen Anforde­ rungen für eine breitbandige Anregung sehr stark redu­ ziert. Die Dauerstrichmethode ist zudem nicht empfind­ lich gegen seitliche Verkippungen oder Verschiebungen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Permanentmagnet radial innerhalb der Hochfrequenz­ spulen uM seine Zylinderachse rotieren, so daß das von der Empfangsspule detektierte Kernresonanzsignal mit der doppelten Rotationsfrequenz des Permanentmagneten modu­ liert ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das empfangene Kern­ resonanzsignal frequenzselektiv und phasenempfindlich bezüglich der doppelten Rotationsfrequenz des Permanent­ magneten detektiert werden kann, was das Signal-zu- Rausch-Verhältnis deutlich verbessert.

In einer vorteilhaften Version dieser Ausführungsform wird die Rotation des Magneten dadurch erzeugt, daß die beiden orthogonalen Spulen mit einem Niederfrequenz- Wechselstrom beschickt werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen Antriebsmittel erforderlich sind.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in an­ deren Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Draufsicht auf den Perma­ nentmagneten und die Hochfrequenzspule einer Kernresonanzsonde nach dem Stand der Technik;

Fig. 1b eine Seitenansicht des Permanentmagneten und der Hochfrequenzspule gemäß Fig. 1a;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Permanentmagneten so­ wie die Sende- und Empfangsspule einer erfin­ dungsgemäßen Kernresonanzsonde;

Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kernresonanzsonde im Querschnitt;

Fig. 4 die Abhängigkeit der Magnetfeldstärke vom Ab­ stand r von der Achse des Permanentmagneten;

Fig. 5 einen schematischen Schaltplan einer Kernreso­ nanzsonde;

Fig. 6 einen schematischen Schaltplan einer Kernreso­ nanzsonde in Brückenschaltung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1a in einer Draufsicht entlang seiner Achse einen langgestreckten, zylinderförmigen, quer zu seiner Zylinderachse (19) magnetisierten Permanent­ magneten (2) sowie die kombinierte Hochfrequenz-Sende- und Empfangsspule (3) einer Puls-NMR-Sonde nach dem Stand der Technik. Die Magnetisierungsrichtung des Per­ manentmagneten (2) ist durch einen horizontalen Pfeil angedeutet. Es wird davon ausgegangen, daß das gesamte Volumen des Permanentmagneten homogen magnetisiert ist. Die Hochfrequenzspule (3) ist ebenfalls entlang der Zylinderachse (1) langgestreckt und kann beispielsweise den Permanentmagneten rahmenförmig vollständig umgeben. Um im Empfindlichkeitsbereich der Hochfrequenzspule definiertere Magnetfeldverhältnisse vorliegen zu haben, kann der Permanentmagnet auch axial über die Spulenenden hinausragen. Für eine Reihe von Positionen im Abstand r von der Zylinderachse (1) sind durch Pfeile jeweils die Richtungen des vom Permanentmagneten erzeugten stati­ schen Magnetfelds B_O und des von der Hochfrequenzspule (3) erzeugten Hochfrequenzmagnetfeldes (HF) angedeutet. Für langgestreckte permanentmagnetische Zylinder und für eine ebenfalls axial langgestreckte Hochfrequenzspule sind die Beträge dieser Felder jeweils in guter Näherung unabhängig von der Position mit dem Radius r und sie stehen jeweils senkrecht aufeinander. Dies ist die opti­ male Konfiguration, um durch das Hochfrequenzfeld eine Präzession des Kernspins um das statische Magnetfeld herum anzuregen und um anschließend die durch diese Prä­ zession hervorgerufenen Kernspinresonanzsignale zu de­ tektieren.

Fig. 1b zeigt die Anordnung der Fig. 1a in einer Sei­ tenansicht. In dieser Konfiguration nimmt man in den axialen Endbereichen des Permanentmagneten und der Hoch­ frequenzspule Abweichungen von der idealisierten Feld­ konfiguration, die in Fig. 1a dargestellt ist, in Kauf.

Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht den Permanentmagneten (2), die Hochfrequenzsendespule (3a) und die Hochfre­ quenzempfangsspule (3b) einer erfindungsgemäßen Kernre­ sonanzsonde. Die Anordnung entspricht weitgehend derje­ nigen in Fig. 1a. Allerdings sind Sende- und Empfangs­ spulen getrennt und stehen mit ihren Flächennormalen senkrecht aufeinander, so daß sie induktiv voneinander entkoppelt sind. Ein Hochfrequenzstrom durch die Sende­ spule (3a) erzeugt demnach in der Empfangsspule (3b) auf direktem Wege kein induziertes Hochfrequenzsignal. Für einen festen Radius r sind die relativen Orientierungen der durch die Sende- bzw. Empfangsspule erzeugten Hoch­ frequenzmagnetfelder durch Pfeile angedeutet. Im Rahmen der bereits oben angesprochenen Näherungen stehen diese unabhängig von der Position aufeinander senkrecht. In einer Ausführungsform der Erfindung steht die Magneti­ sierungsachse des Permanentmagneten (2) fest jeweils unter 45° (Richtung 32 in Fig. 2) zu den Flächennormalen (33a, b) der Sende- und Empfangsspule und senkrecht zur Zylinderachse (1). Damit steht auch das von diesem Ma­ gneten (2) erzeugte statische Magnetfeld (B_O) an jeder Position unter jeweils 45° zu den Hochfrequenzmagnet­ feldern. Dies bedeutet, daß durch die Sendespule ein Kernspinresonanzsignal mit einem um den Faktor 1:√ re­ duzierten Wirkungsgrad angeregt wird, bzw. durch die Empfangsspule ein Kernspinresonanzsignal der um das statische Magnetfeld herum präzedierenden Kernmomente mit ebenfalls um den Faktor 1:√ verringerter Amplitude empfangen wird.

Für eine Anordnung mit orthogonalen Sende- und Emp­ fangsspulen stellt dies die optimale Konfiguration dar. Wird nun in die Anregungsspule kontinuierlich ein CW-Hochfrequenzstrom einer gewissen Frequenzband­ breite eingespeist, so wird ständig in einer Zylin­ derschale, deren Dicke zur Bandbreite proportional ist, Kernresonanz angeregt. Die von der Sendespule (3a) entkoppelte Empfangsspule (3b) detektiert nun ihrerseits in diesem Frequenzband ein Signal, das von den Wasserstoffkernen aus der das Bohrloch umgebenden Zylinderschale stammt. Da kontinuierlich angeregt wird und es daher kein Zeitintervall zwischen Anregungsspule und detektiertem Signal gibt, ist das Verfahren unempfindlich gegen radiale Verschiebung der Meßsonde. Darüber hinaus kann gegenüber Pulsanregung die Bandbreite wesentlich größer sein, da bei CW-Anregung die hohe Spitzenleistung für einen breitbandigen Anregungspuls nicht erforderlich ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ro­ tiert der Permanentmagnet (2) relativ zur Sende- bzw. Empfangsspulenanordnung (3a, b) um die Achse (1). Vor­ zugsweise rotiert der Permanentmagnet (2), (und die Spu­ lenanordnung (3a, b) bleibt stationär. Grundsätzlich kann jedoch auch die Spulenanordnung (3a, b) rotieren und der Permanent-Magnet (2) stationär bleiben. Die Stärke des momentan empfangenen Kernresonanzsignals hängt von der relativen Stellung des Permanentmagneten (2) bezogen auf die Flächennormalen (33a, b) der Spulenanordnung (3a, b) ab. Stimmt die Magnetisierungsrichtung (32) des Permanentmagneten (2) mit der der Flächennormalen (33a) der Sendespule (3a) überein (in Fig. 2 senkrecht), so werden in guter Näherung keine Kernspins angeregt. Stimmt die Magnetisierungsrichtung (32) des Permanentmagneten (2) mit der Flächennormalen (33b) des Empfangsspulensystems (3b) (in Fig. 2 waagerecht) überein, so werden die Kernspins zwar angeregt, aber es wird in guter Näherung kein Kern­ resonanzsignal empfangen. Das maximale Signal erhält man, wenn die Magnetisierungsrichtung (32) des Perma­ nentmagneten (2) unter 45° zwischen den Flächennormalen (33a, b) der Sende- und Empfangsspulensysteme (3a, b) liegt. Bei kontinuierlicher Anregung und umlaufendem Permanentmagneten (2) wird demnach das detektierte Meß­ signal moduliert sein, und zwar mit der doppelten Rota­ tionsfrequenz. Die Rotationsfrequenz ist klein gegen die Hochfrequenz. Das modulierte Hochfrequenzsignal kann schmalbandig und phasenempfindlich mit Hilfe eines Lock- -in-Verstärkers nachgewiesen werden, was das Signal-zu- Rausch-Verhältnis verbessert.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Kernresonanzsonde im Quer­ schnitt in einer Ebene, die die Zylinderachse (1) ent­ hält. Der Permanentmagnet (2) ist umgeben von den ortho­ gonalen Sende- (3a) bzw. Empfangsspulenanordnungen (3b). Zusammen mit den weiteren im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 beschriebenen Komponenten befinden sie sich innerhalb des im wesentlichen zylinderförmigen Son­ dengehäuses (30). Das Gehäuseinnere ist mit einem Fluid (33) angefüllt und über eine Membran (31) kann ein Druckausgleich mit der Umgebung, d. h. der Bohrlochflüs­ sigkeit, stattfinden. Die Sonde ist nach oben mit einem Deckel (32) abgeschlossen, durch den Zuleitungen (34) geführt sind, die z. B. elektrische oder optische Daten­ leitungen bzw. Energiezuleitungen umfassen können.

In Fig. 4 ist graphisch die radiale Abhängigkeit der Ma­ gnetfeldstärke (B_O) vom Abstand (r) von der Zylinder­ achse (1) dargestellt. Zur Verdeutlichung der erhebli­ chen Feldstärkevariation für kleine Verschiebungen sind für zwei radiale Positionen gestrichelte Linien einge­ zeichnet. Wenn der homogen magnetisierte zylinderförmige Permanentmagnet (2) den Radius a besitzt, so ergibt sich für r < a der formelmäßige Zusammenhang:

B_O = B_O (r<a)/2 * (a/r)².

In Fig. 5 ist für eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung schematisch ein Schaltplan dargestellt.

Eine Rechnereinheit (16) dient einerseits zum Steuern der Messung und zum Speichern und Verarbeiten der Meß­ werte. Sie kann teilweise in die Kernresonanzsonde inte­ griert sein, befindet sich jedoch i.a. außerhalb des Bohrlochs und ist mit der eigentlichen Sonde nur über Datenleitungen (16a, b) verbunden. Die Komponenten, die sich innerhalb des Gehäuses (30) der Kernresonanzsonde befinden, sind gestrichelt eingerahmt. Diese Komponenten sind auch den extremen Umweltbedingungen, wie hohe Drücke und Temperaturen, ausgesetzt. Die Drücke erreichen bis zu einige hundert bar und die Temperaturen bis etwa 150 Grad Celsius, teilweise sogar über 200 Grad. Der Be­ reich innerhalb des Sondengehäuses (30) wird i.a. mit einem Fluid angefüllt sein, das über eine Membran (31) mit der Umgebung im ständigen Druckausgleich steht. Die Rechnereinheit (16) steuert eine HF-Quelle (11), die Frequenzsignale im Bereich um 1 MHz abgeben kann. Diese Signale steuern ihrerseits einen HF-Transmitter (11) und dienen als Referenz für einen phasenempfindlichen Detek­ tor (14). Im Meßbetrieb sendet der Transmitter (12) ein CW-Breitband-Anregungssignal im Bereich der Referenzfre­ quenz auf die Anregungsspule(n) (3a), die mit Hilfe ei­ ner Regelkapazität (13a) auf das Anregungsfrequenzband abgestimmt sind. Das HF-Feld der Anregungsspule(n) (3a) regt in Wasserstoffkernen in der Umgebung des Perma­ nentmagneten (2) Kernresonanz an, wenn sich diese Kerne in einem Magnetfeld befinden, in dem die Resonanzfre­ quenz von Protonen in das gesendete Frequenzband fällt. Die angeregten Kerne strahlen nun ihrerseits HF-Signale aus, die mit Hilfe der Empfangsspule(n) (3b) erfaßt wer­ den. Die Empfangsspulen (3b) sind durch ihre geometrisch orthogonale Anordnung von den Sendespulen (3a) weitge­ hend entkoppelt, so daß in guter Näherung kein direktes Signal empfangen wird. (Die orthogonale Anordnung ist in Fig. 5 nicht zu erkennen.) Die Empfangsspule(n) (3b) sind mit Hilfe einer Regelkapazität (13b) auf das Sendefre­ quenzband abgestimmt. Die empfangenen Kernresonanzsi­ gnale werden mit dem phasenempfindlichen Detektor (14) phasenempfindlich gleichgerichtet und verstärkt. In der Ausführungsform der Fig. 5 wird eine Antriebseinheit (18) von einer Frequenzquelle (17) mit einer Frequenz (f_m) im Audio-Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 10 und 20 Hz, angesteuert, welche ihrerseits von der Rechner­ einheit (16) kontrolliert wird. Die Antriebseinheit (18) schickt entsprechende niederfrequente Antriebsströme durch die Sende- und Empfangsspulen (3a, 3b), wo­ durch der Permanentmagnet (2) in eine entsprechende niederfrequente Rotation um seine Zylinderachse (1) versetzt wird. Die durch die orthogonalen Sende- bzw. Empfangsspulen (3a, 3b) fließenden Antriebsströme sind vorzugsweise um 90 Grade phasenverschoben. Die Fre­ quenzquelle (17) versorgt außerdem einen Lock-In-Ver­ stärker (15) mit der Referenzfrequenz 2*f_m. Die Rotation des Permanentmagneten (2) mit der Frequenz 2f_m bewirkt eine Modulation des Kernresonanzsignals mit der doppel­ ten Frequenz 2*f_m. Das vom phasenempfindlichen HF-Detek­ tor (14) gleichgerichtete Ausgangssignal ist demnach niederfrequent mit 2*f_m moduliert. Es wird vom Lock-In- Verstärker (16) schmalbandig und phasenempfindlich mit­ tels der von der Frequenzquelle (17) gelieferten Fre­ quenz (2*f_m) verstärkt und letztlich in der Rechenein­ heit (16) weiterverarbeitet.

Alternativ zum Antrieb mit Hilfe der HF-Spulen (3a, 3b) kann der Permanentmagnet auch auf andere Weise in Rota­ tion versetzt werden, z. B. über separate Spulen oder auch pneumatisch, vergleichbar mit der Probenrotation in analytischen NMR-Spektrometern. Die Rotationsfrequenz kann dabei z. B. über Lichtschranken gemessen und kontrolliert werden.

Schließlich zeigt Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung in der Form einer HF-Brückenschaltung, deren Abgleich kontinuierlich nachgeregelt wird. Die Bezugs­ zeichen der Komponenten und ihre Funktion entsprechen weitgehend denen der Fig. 5. Eine HF-Quelle (11a) mit in­ tegriertem Transmitter speist im interessierenden Fre­ quenzband ein HF-Signal in eine HF-Brücke ein, die u. a. aus dem Sende-Empfangsspulenpaar (3a, b) besteht, wobei die Sende- bzw. Empfangsfunktion nun nicht mehr jeweils einer der beiden Spulen zugeordnet ist. Die beiden Arme der HF-Brücke werden über die Regelkondensatoren (13a, b, c) abgeglichen. Dies geschieht bereits vorab, bevor die Kernresonanzsonde ins Bohrloch eingeführt wird. Mindestens einer (13c) dieser Kondensatoren ist jedoch auch noch während des Betriebs im Bohrloch über einen Regelkreis abstimmbar. Dies kann mechanisch, aber vorzugsweise elektrisch, geschehen. Ein phasenempfind­ licher HF-Detektor (14) erhält seine Referenzfrequenz von der Frequenzquelle (11a) und detektiert die aufgrund einer Verstimmung der Brücke anstehende Differenz-HF- Spannung zwischen den Brückenarmen und richtet diese phasenempfindlich gleich. Der Ausgang des Detektors (14) gelangt auf ein Filter, bzw. eine Weiche (19). Der langsam variierende Anteil des Ausgangssignals gelangt über einen Tiefpaß in der Weiche (19) auf einen Nullde­ tektor (20), der ein Regelsignal zum Nachstimmen des Re­ gelkondensators (13c) liefert, um den Gleichspannungs­ anteil des Ausgangssignals des HF-Detektors (14) der Brücke auf Null zu halten. Der Detektor (14) kann auch ein Quadraturdetektor sein, der zwei Ausgangssignale liefert, die es gestatten, die Verstimmung der Brücke nach Betrag und Phase zu erfassen. Damit können im Re­ gelkreis zwei oder mehrere Regelkomponenten, i.a. Kon­ densatoren (13a, b, c) nachgeregelt werden, um das an sich komplexe Abweichsignal der Brücke auf Null zu halten. Da es sich jedoch i.a. um kleine Driften handelt, z. B. durch Temperatur- und Druckabhängigkeit der Komponenten, die zumindest teilweise vorbekannt sind, können bei entsprechender Auswahl der Bauteile und Voreinstellung auch mit einem einfachen Detektor (14) gute Ergebnisse erzielt werden.

Auch in dieser Ausführungsform wird der Permanentmagnet (2) (nicht gezeigt) über eine Frequenzquelle (17) und einen Antrieb (18) in Rotation mit der Frequenz f_m um seine Zylinderachse (1) versetzt. Die Weiche (19) be­ sitzt einen Ausgang, der schmalbandig die Frequenz 2*f_m durchläßt. Dieser Ausgang gelangt auf einen Lock-In-Ver­ stärker (15), der seine Referenzfrequenz (2*f_m) eben­ falls von der Frequenzquelle (17) erhält. Damit detek­ tiert der Lock-In-Verstärker (15) genau den Anteil der Verstimmung der HF-Brücke, der durch die Modulation mit 2*f_m aufgrund der Rotation des Permanentmagneten (2), oder wieder auch alternativ der HF-Spulen (13a, b) rela­ tiv zum Permanentmagneten (2), entsteht. Die Brücke wird dabei über den Nulldetektor (20) des Regelkreises immer abgeglichen und bleibt damit empfindlich. Das Ausgangs­ signal des Lock-In-Verstärkers (15) gelangt über eine Datenleitung (16a) zur Recheneinheit, die wiederum über weitere Leitungen (16b, c) die Messung steuern kann.

Claims (11)

1. Kernresonanzsonde zum Einführen in ein Bohrloch mit einem langgestreckten, zylinderförmigen, quer zu seiner Zylinderachse (1) magnetisierten Permanentma­ gneten (2) zum Erzeugen eines Magnetfeldes außerhalb des Bohrlochs, wobei das Magnetfeld in einem axialen Bereich in guter Näherung auf der Zylinderachse (1) senkrecht steht und sein Betrag in diesem axialen Bereich in guter Näherung nur vom radialen Abstand (r) von der Zylinderachse (1) abhängt, mit mindestens einer Hochfre­ quenz-Sende- (3a) und Empfangsspule (3b) zum Aussenden und Empfangen von Hochfrequenzsigna­ len für die Anregung und den Empfang von Proto­ nen-Kernresonanzsignalen in einem Material außerhalb des Bohrlochs, wobei das von der Sendespule (3a) er­ zeugte Hochfrequenzmagnetfeld Komponenten besitzt, die in dem axialen Bereich jeweils auf der Zylin­ derachse (1) und der Richtung des Magnetfeldes senk­ recht stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- (3a) und die Empfangsspule (3b) voneinander induktiv entkoppelt sind und ihre Flächen­ normalen (33a, 33b) senkrecht auf der Zylinderachse (1) und senkrecht aufeinander stehen, daß Mittel (11, 12) vorhanden sind, um in die Sendespule (3a) einen Dauerstrich-Hochfrequenz -Anregungsstrom mit der Larmorfrequenz der Wasserstoffkerne des Materi­ als außerhalb des Bohrlochs in einem vorgegebenen Abstand (r) von der Zylinderachse (1) einzukoppeln und daß die Magnetisierungsrichtung (32) des Perma­ nentmagneten so einstellbar ist, daß sie unter 45 Grad zwischen den Flächennormalen (33a, 33h) der Sende- (3a) und Empfangsspule (3b) steht.

2. Kernresonanzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Permanentmagnet (2) so fixiert ist, daß seine Magnetisierungsrichtung (32) fest un­ ter 45 Grad zwischen den Achsen (33a, 33b) der Sende- (3a) und Empfangsspulen (3b) steht.

3. Kernresonanzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Permanentmagnet (2) um seine Zy­ linderachse (1) rotierbar ist, so daß das von der Empfangsspule (3b) detektierte Kernresonanzsignal mit der doppelten Rotationsfrequenz (2f_m) des Per­ manentmagneten (2) moduliert ist.

4. Kernresonanzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sende- (3a) und Empfangsspulen (3b) um die Zylinderachse (1) des Permanentmagneten (2) rotierbar sind, so daß das von der Empfangsspule (3b) detektierte Kernresonanzsignal mit der doppel­ ten Rotationsfrequenz (2f_m) der Spulen moduliert ist.

5. Kernresonanzsonde nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfrequenz (f_m) zwischen 10 und 20 Hz liegt.

6. Kernresonanzsonde nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Rota­ tion ein Wechselstrom der Rotationsfrequenz (f_m) in die Sende- (3a) und/oder Empfangsspule (3b) ein­ speisbar ist.

7. Kernresonanzsonde nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Rota­ tion pneumatisch erfolgt und daß sie optisch kon­ trolliert wird.

8. Kernresonanzsonde nach einem oder mehreren der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem zylinderförmigen Gehäuse (30) eine Hochfrequenzquelle (11) und einen Hochfrequenztransmit­ ter (12) als Mittel (11, 12) zur Einkopplung des Dau­ erstrich-Hochfrequenzanregungsstroms, Abstimmkon­ densatoren (13a, b) und einen phasenempfindlichen Hochfrequenzdetektor (14) enthält.

9. Kernresonanzsonde nach einem oder mehreren der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Niederfrequenzquelle (17) und eine An­ triebseinheit (18) für die Rotation des Permanent­ magneten (2) oder der Hochfrequenzspulen (3a, b) um die Zylinderachse (1) enthält.

10. Kernresonanzsonde nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochfrequenzspulen (3a, b) zusammen mit den Abstimmungskondensatoren (13a, 13b) und min­ destens einem Regelkondensator (13c) zu einer HF- Meßbrücke verschaltet sind, die von einer HF-Ouelle (11a) gespeist wird und deren Ausgangssignal von einem phasenempfindlichen Detektor (14) erfaßt und gleichgerichtet wird, wobei der langsam variierende Anteil der Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors (14) über eine Weiche (19) auf einen Null­ detektor (20) gegeben wird, dessen Signal zum stän­ digen Abgleich der HF-Brücke mit Hilfe des mindestens eine Regelkondensators (13c) und wobei der Frequenzanteil der Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors (14) im Frequenzbe­ reich der doppelten Rotationsfrequenz (2f_m) auf ei­ nen Lock-In-Verstärker (15) gegeben wird, dessen Re­ ferenzfrequenz gleich der doppelten Rotationsfre­ quenz (2f_m) ist und von der Niederfrequenzquelle (17) zur Erzeugung der Rotation stammt.

11. Kernresonanzsonde nach einem oder mehreren der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein zylinderförmiges Gehäuse (30) auf­ weist, dessen Innenraum mit einem Fluid (33) gefüllt ist und eine Membran (31) für den Druckausgleich zwischen dein Innenraum des Gehäuses (30) und der Um­ gebung aufweist.