-
Verfahren zur Bestimmung der Natur des von einem Bohrloch durchschlagenen
Gesteins, insbesondere des Schichtwechsels, mittels elektrischer Sondenmessungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Natur des von einem Bohrloch
durchschlagenen Gesteins mittels elektrischer Sondenmessungen in verschiedenen Tiefen
des mit Wasser gefüllten unverrohrten Bohrloches durch die Ermittlung der Stärke
und Richtung natürlicher elektrochemischer Ströme. Die Erfindung besteht darin,
daß in das Bohrloch zwei Sonden in so geringem Abstand voneinander eingelassen werden,
daß sie derselben Schicht des Gesteins gegenüberstehen, daß über die eine Sonde
aus einer besonderen Stromquelle ein Strom solcher Stärke in den Boden gesandt wird,
daß er die natürlichen Ströme im Gestein vollständig oder teilweise kompensiert,
daß die Kompensation der Ströme durch Bestimmung der Spannung zwischen der anderen
eingelassenen Sonde und einer weiteren an der Erdoberfläche angeordneten oder in
das Bohrloch in einer größeren Entfernung von der zweiten Sonde eingelassenen Sonde
festgestellt und die zur Kompensation erforderliche Richtung und Stärke des Kompensationsstromes
gemessen wird.
-
In unverrohrten Bohrlöchern kann es bekenntlich aus verschiedenen
Gründen zu natürlichen elektrochemischen Strömen und Potentialdifferenzen im Bohrschlamm
und dem durchschlagenen Gestein kommen. Zur Charakterisierung der Natur solcher
Ströme und Spannungen seien hier nur die Diffusionspotentiale, die Phasengrenzpotentiale
und die Strömungspotentiale erwähnt. Von diesen sind Diffusionspotentiale auf verschiedene
Natur und Konzentration des gelösten Elektrolyten im Bohrschlamm, Phasengrenzpotentiale
auf verschiedene Natur des Lösungsmitteis zurückzuführen. Die Strömungspotentiale
beruhen auf einer Verbindung des unverrohrten Bohrloches mit den angrenzenden porösen
Gesteinsschichten. In solchen Bohrlöchern kann es nämlich zu einem Austausch zwischen
der Flüssigkeit des Bohrloches und der Boden- und Gesteinsflüssigkeit kommen, indem
in manchen Schichten die Flüssigkeit aus dem Gestein in das Bohrloch eintritt und
in anderen wieder Flüssigkeit aus dem Bohrloch in den Untergrund hineingedrückt
wird.
-
Es entstehen hierbei nach der für Kapillaren gültigen Beziehung s.P.#
V= 4#.#.# die sogenannten Strömungspotentiale V, die ihrerseits wieder mit Strömungsströmen
gekoppelt sind. In dieser Gleichung bedeuten( das Adsorptionspotential, P den hydrostatischen
Überdruck zwischen den Enden der Kapillare, s die Dielektrizitätskonstante, 6 die
spezifische elektrische Leitfähigkeit und 9 die Viskosität der Flüssigkeit.
-
Durch die Erzeugung eines künstlichen Stromes, der durch den Untergrund
gesandt wird, können nun die natürlichen Ströme, die als Folge der durch das Bohrloch
geschaffenen elektrochemischen Verhältnisse in der Bohrflüssigkeit und im angrenzenden
Gestein fließen, ganz oder teilweise kompensiert werden. Beispielsweise können Strömungsströme
und Strömungspotentiale durch Endosmose aufgehoben werden. Der zur Abkompensation
erforderliche künstlich erzeugte Strom ist ein Maß für die im Untergrund fließenden
natürlichen elektrochemischen Ströme. Der Grad der Kompensation ergibt sich aus
Potentialmessungen, beispielsweise aus dem dann im Bohrloche mittels einer Sonde
gemessenen Potentiale oder des mittels zweier Sonden gemessenen Potentialgradienten.
Aus den so ermittelten natürlichenS trömuugsverhältnissen könnenSchlüsse auf den
elektrochemischen Zustand im Untergrunde und damit auf die Natur des durchbohren
Gesteins, insbesondere aber auf den Schichtwechsel gezogen werden.
-
Grundsätzlich können bei der Untersuchung des elektrischen Zustandes
im Untergrunde die Spannungen, die Stromstärken oder die Widerstände bestimmt werden.
Wenn diese Größen auch nicht unabhängig voneinander sind, so sind andererseits Strömungsfetd
und Potentialfel d doch keineswegs wechselseitig durcheinander eindeutig bedingt,
schon weil zum mindesten die Leitfähigkeit des Bohrschlammes und des durchschlagenen
Gesteins in die verbindende Beziehung eingeht. Die Strömung nach Stärke und Richtung
ist also eine besondere charakteristische Größe, die auch besondere Aufschlüsse
über die Untergrundverhältnisse zu geben vermag.
-
DerVorzug der Abkompensation der natüreichen elektrochemischen Erdströme
und Spannungen im Bohrloch durch einen künstlichen Strom ist gegenüber der bei ähnlichen
Verfahren bekannten Messung des natürlichen Potentials oder des Potentialgefälles
ein doppelter, wie an dem Beispiel der Strömungsströme und des Strömungspotentials
näher erläutert sei. Zunächst kann unter Umständen die Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit
der Messung gesteigert werden, indem der bei Potentialmessungen störende Einfluß
der Leitfãhigkeit auf die Stärke der Indikationen durch die Kompensation bis zu
einem gewissen Grade ausgeschaltet wird. Es beruht dies darauf, daß Strömungspotentiale
bemerkenswerterweise nur in elektrolytarmen Lösungen zu erhalten sind. Dies hat
seinen Grund wieder darin, daß durch Vermehrung der Salzkonzentration in der Regel
schon das Adsorptionspotential s stark vermindert und dann vor allem das durch ein
gegebenes Adsorptionspotential bei gegebenem Überdruck erzeugte Strömungspotential
T7 erheblich herabgesetzt wird, da in der obigen Formel die Leitfähigkeit , unter
dem Bruchstrich steht. Es kann also trotz der Porosität des Gesteins und trotz großen
i,berdruclis wegel zu großer Leitfähigkeit der Flüssigkeit zu einem nur minimalen
Strömungspotential kommen, das in der Praxis schwierig he stimmbar ist. Anders bei
den Strömungsstromen, die trotz geringen Strömungspotentials mit Rücksicht auf eine
etwa vorhandene große Leitfähigkeit der Flüssigkeit doch beträchtlich und vergleichsweise
genau bestimmbar sein können. Sie werden durch Abkompellsation und Registrierung
der hierzu erforder lichen- künstlich erzeugten Ströme ermittelt.
-
Die Leitfähigkeit des Bohrschlammes ist aber ein Faktor, der nicht
nur das Strömungspotential in unerwünschter Weise herabsetzt, sondern auch dessen
Deutung erschwert, da er in die Formel als ein unter kannter Faktor eingeht. Wird
nun das Strömungspotential am Orte der Messung gleich Null, indem ein entsprechendes
Potential y mit umgekehrtem Vorzeichen, also W- -V auf Ohmschen Wege künstlich erzeugt
wird, so kann der Stromfluß stellenweise unterbunden werden, womit auch die Leitfähigkeit
in der Formel herausfällt und dementsprechend keinen Einfluß mehr auf den elektriscllen
Zu stand besitzt. Es besteht daher die Möglichkeit, durch Messung des zur Kompensation
erforderlichen Stromes nicht nur zu einer empfindlicheren Meßmethode, sondern auch
zu weniger vieldeutigen Ergebnissen zu gelangen, als dies durch unmittelbare Messung
der natürlichen Potentialverteilung selbst möglich ist.
-
Eine spezielle Vorrichtung zur Stromkompensation ist beispielsweise
in der beistehenden Fig. I a schematisch aufgezeichnet. Ob erhalb oder unterhalb
der unpolarisierbaren Meßsonde S, wird eine Elektrode E in das Bohrloch mittels
einer isolierten Stromzuführung eingelassen und durch diese dem Boden ein Strom
zugeführt, der nach Stärke und Richtung reguliert werden kann. Die Entfernung der
Elektroden St und E voneinander muß so klein sein, daß beide Elektroden derselben
Schicht des Gesteins gegenüberstehen. Die andere Elektrode dieses Stromkreises stehe
mit der Erdoberfläche in unmittelbarem Kontakt. In diesem Stromkreise I liege ein
Amperemeter=4, eine Stromquelle B und ein Regulierwiderstand R. Der Meßkreis II
mit den Meßsonden 51 und S2, der dazu dient, den Grad der Kompensation zu kontrollieren,
führt durch ein Potentiometer, das die Potentialdifferenz zwischen den Sonden zu
bestimmen gestattet. Hierbei
kann die Meßsonde ebenfalls an der
Erdoberfläche liegen, wodurch man das Potential im Punkte Sg gegen Erde hält. Man
kann dann den in den Untergrund gesandten, künstlich erzeugten Strom so einregulieren,
daß das Potential im Meßpunkte St gerade verschwindet, und mißt die hierzu erforderliche
Stromstärke. Bei völliger Abkompensation der Potentialdifferenz kann man auf die
quantitative Spannungsmessung im Sondenkreise verzichten. Es genügt in diesem Falle,
in den I(reis ein empfindliches Galvanometer als Nullinstrument einzulegen (Fig.
Ib), das die gewünschte Strom- und Spannungslosigkeit anzeigt.
-
Vorteilhaft ordnet man die Elektrode E seitlich der Meßsonde S1 in
Form eines zylinderförmigen Siebes oder eines durchlöcherten Zylinders, der die
Meßsonde konzentrisch umgibt, an (Fig. 2). In diesem Falle ist anzunehmen, daß der
künstlich erzeugte, durch die Elektrode gesandte Strom und. etwa vorhandene horizontale
Strömungsströme bei passender Polung gerade einander entgegengesetzte Richtungen
besitzen.
-
Der Sondenmeßkreis kann gemäß Fig. 3 auch so ausgebildet werden,
daß die bei den Anordnungen gemäß der Fig. I an der Erdoberfläche befindliche Sonde
ebenfalls in das Bohrloch ober- oder unterhalb der Meßsonde set hineinverlegt wird,
wodurch praktisch der Potentialgradient der natürlichen Erdströme in Richtung der
Bohrlochachse gemessen wird. Durch passende Wahl der Stärke des in den Boden gesandten
Kompensationsstromes wird der resultierende Potentialgradient gleich Null. Gemessen
wird die hierzu erforderliche Stromstärke, deren Größe Aufschluß über den durch
das Bohrloch geschaffenen natürlichen elektrochemischen Zustand und damit auch über
die Beschaffenheit des Untergrundes zu liefern gestattet.
-
Die Untersuchung des Bohrloches verläuft nun im allgemeinen so, daß
die gesamte Einrichtung, d. h. die nicht mit der Erdoberfläche in unmittelbarem
Kontakt stehenden Elektroden und Sonden gleichmäßig und in gleichbleibendem Abstande
in das Bohrloch hineingelassen bzw. aus diesem herausgezogen und hierbei die Meßgrößen
kontinuierlich und nach Möglichkeit selbsttätig auf eine geeignete Registriereinrichtung
graphisch aufgezeichnet werden. Man erhält dann die Meß größen als Funktion der
Tiefe in Kurvenform.
-
Würde eine solche Kurve den natürlichen Potentialverlauf liefern,
so wäre aus ihren Verlaufe noch nicht zu erkennen, wie stark die elektrochemischen
Ströme eigentlich sind.
-
Erst die Abkompensation dieser Ströme unter Zuhilfenahme künstlicher
Ströme vermagAufschluß über die durch ein Bohrloch geschaffenen natürlichen Strömungsverhältnisse
in der Tiefe zu geben.