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Verfahren zur gleichzeitigen Messung zweier oder mehrerer Größen im
Innern eines Bohrloches Bekanntlich ist es häufig interessant, insbesondere um die
durch ein Bohrloch durchschlagenen geologischen Schichten zu untersuchen, im Innern
des Bohrlochs elektrische Messungen verschiedener Eigengrößen durchzuführen, um
die geologischen Schichten näher zu bestimmen. So hat man beispielsweise folgende
Größen gemessen: I. Den Scheinwiderstand der durch das Bohrloch durchschlagenen
Schichten (vgl. hierzu das französische Patent 678 In3), eine Größe, die in gewissen
Fällen mit zwei oder mehreren gesonderten Meßeinrichtungen gemessen werden kann,
die verschiedene Dimensionen oder Charakteristika haben, 2. den elektrischen Widerstand
der das Bohrloch anfüllenden Flüssigkeit, 3. die Potentialdifferenzen, die spontan
im Innern des Bohrlochs, insbesondere in der Höhe der durchlässigen Schichten, auftreten
(vgl. insbesondere das französische Patent 723 592), 4. die Temperatur der das Bohrloch
anfüllenden Flüssigkeit usw.
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Die vorliegende Erfindung hat zuni Zweck, gleichzeitig die Messung
zweier oder mehrerer Größen, wie die vorher angegebenen, im Innern eines Bohrlochs
durchführen zu können, wobei die Zahl von isolierten Leitern, die die Meßeinrichtungen
mit der Erdoberfläche verbinden, auf ein Minimum und nötigenfalls sogar auf einen
verringert wird, wie auch die Zahl der zu messenden Größen sein mag.
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Zur Erreichung dieses Zwecks besteht das Verfahren gemäß der Erfindung
im wesentlichen darin, daß in der Höhe der zu untersuchenden Schichten, in den dem
Bohrloch benachbart
liegenden Schichten, im Bohrloch selbst oder
in einem in den zu untersuchenden Bereich hinabgesenkten Untersuchungsgerät zwei
oder mehrere periodisch veränderliche elektromagnetische Felder bestimmter verschiedener
Frequenzen erzeugt werden. deren jedes wenigstens ein Charakteristil\-um hat, das
zu einer der zu messenden Größen in Beziehung steht. die Gesamtheit der erwähnten
Charakteristika dieser verschiedenen Felder an die Erdoberfläche, vorzugsweise mittels
eines einzigen Leiters, übertragen wird und die Charakteristika mittels geeigneter
seleL-tiver Apparate, die sich an der Erdoberfläche befinden, gesondert gemessen
oder registriert werden.
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Außerdem kann man durch den gleichen Leiter ein oder mehrere Charakteristika
eines elektrischen Gleichfeldes wie das. das z. B. in den im Bohrloch in der Höhe
der durch lässigen Schichten vorhandenen spontanen Potentialdifferenzen seinen Ursprung
hat, übertragen und messen.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung für die Umsetzung der zuvor angegebenen
Verfahren in die Praxis setzt sich im wesentlichen aus folgendem zusammen: I. Mitteln,
die sich im Innern des Bohrlochs in der Nähe der-Schicht, wo man die Messungen ausführen
will, befinden, um periodisch veränderliche elektromagnetische Felder gegebener
Frequenzen zu erzeugen, von denen bestimmte Charakteristika, die in einem gegebenen
Punkt im Innern des Bohrlochs zeugte Potential amplitude beispielsweise, entsprechend
Funktionen der verschiedenen Meßgrößen sind. Diese Mittel. deren Art selbst natürlich
von den Meßgrößen abhängt, können z. B. Wechselstromerzeuger aufweisen, die durch
einen durch eine Batterie gespeisten Gleichstrommotor angetrieben werden können,
wobei diese verschiedenen Apparate sämtlich in das Innere des Bohrlochs in einem
oder verschiedenen Gehäusen hinabgelassen werden. Diese verschiedenen Wechselstromerzeuger
sind so auszubilden, daß sie elektrische Ströme verschiedener gegebener Frequenzen
- liefern; 2. einem elektrischen Kreis. um die Gesamtheit der ausgewählten Charakteristika
der so erzeugten elektromagn!etisehen Felder an die Erdoberfläche zu übertragen.
Dieser elektrische Kreis wird vorzugsweise von einem einzigen isolierten Leiter
gebildet, der die im Bohrloch befindlichen Apparate mit den Anzeige- oder Registriermeßinstrumenten
an der Erdoberfläche verbindet, wobei sich der Kreis durch den Boden und die das
Bohrloch anfüllende Flüssigkeit schließt: 3. Meßinstrumenten an der Erdoberfläche,
z. B. Potentialdifterenzmeßinstrumenten, von denen jedes allein auf die Potentialdifferenzen
anspricht, die die Frequenz des besonderen Charakiteristikums, das man messen will.
haben.
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. Andere Merkmale der Erfindung finden sich in der nachfolgenden
Beschreibung der Zeichnungsfiguren erläutert, die schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulichen.
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Fig. I ist ein Schema einer Einrichtung gemäß der Erfindung für die
gleichzeitige Alessung mittels eines einzigen isolierten Leiters von zwei Scheinwiderständen
(gemessen mittels zweier Einrichtungen. deren Dimensionen verschieden sind) und
der Potentialdifferenzen. die spontan in dem Bohrloch in der Höhe der durchlässigen
Schichten auftreten.
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Fig. 2 ist ein Teilschema einer anderen Ausführungsform der Einrichtung
nach Fig. I Fig 3 veranschaulicht eine Einrichtung ähnlich derjenigen der Fig. I,
die jedoch darüber hinaus die Messung der 'I'emperatur der Flüssigkeit im Bohrloch
gestattet.
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Auf der Zeichnung bezeichnet I ein mit Leitflüssigkeit (Wasser oder
Spülung z. B. angefiilltes Bohrloch. in dessen Inneres verschiedene Apparate hinabgesenkt
sind. die z. B. in ein und demselben. nicht dargestellten Gehäuse enthalten sind.
Diese Apparate besitzen im vorliegenden Fall eine Elementen-oder Sammlerbatterie
2, die dazu dient. einen WIotor3 anzutreiben, auf dessen Welle zwei Wechselstromerzeuger
4 und 5 angeordnet sind. Der eine dieser Wechselstromerzeuger liefert z. 13. Strom
mit 120 Perioden und der andere Strom mit 240 Perioden. Es ist nämlich aus Konstruktionsgründen
einfach. für den einen der beiden Wechselstromerzeugei eine doppelte Frequenz wie
die des anderen zu wählen, da man hierfür nur einenWeehselstromerzeuger mit einer
doppelten Polzahl benötigt. Die Klemmen6, 7 dieser \\7echselstromerzeuger sind durch
isolierte Leitungen 8, g entsprechend mit zwei Elektroden Bi.
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Bo verbunden, die in das Bohrloch in einem ziemlich großen Abstand
vom Apparat, einige Meter beispielsweise, hinabgesenkt sind. damit das beim Durchtritt
des Stroms durch diese Elektroden erzeugte Potential an der Stelle, wo man die Messungen
ausführt. d. h. an der Stelle, wo sich die Elektrode U befindet, von der später
noch die Rede sein wird, einen vernachlässigbaren Wert hat. Die anderen Klemmen
der Wechselstromgeneratoren sind durch getrennte Leiter 10 und 11 Illit zwei Elektroden
At, 242 verbunden. die im allgemeinen in einem Abstand von i m beispiels. weise
angeordnet sind.
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Die beschriebene Apparatur gestattet. in dem Bohrloch zwei elektrisdie
Wecllselfelder zu erzeugen, die sich dem elektrisden Gleichfeld
überlagern,
das spontan in dem Bohrloch in der Höhe der durchlässigen Schichten entsteht.
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Die Einrichtung, die dazu bestimmt ist, an die Erdoberfläche die
elektrischen Charakteristika dieser verschiedenen Felder zu übertragen, um sie zu
trennen und gesondert zu messen, weist eine Elektroden auf, die in das Bohrloch
in die Nähe der ElektrodenA,, 2 in einem in der Größenordnung des Durchmessers des
Bohrlochs beispielsweise liegenden Abstand von der Elektrode A1 und in einem bedeutend
größerenAbstand (einMehrfaches des ersteren) von der Elektrode Ä hinabgesenkt ist.
Um die Darstellung zu vereinfachen, sind diese entsprechenden Abstände der Elektroden
auf der Zeichnung nicht in dem zum Durchmesser des Bohrlochs imVerhältnis stehenden
Maßstab dargestellt. Die Elektrode 11/1 steht mit der Erdoberfläche durch einen
isolierten Leiter 12 in Verbindung, der gleichfalls dazu dienen kann, die ganze
in das Bohrloch hinabgesenkte Apparatur zu tragen. Diese Elektrode M Rist, von einem
entfernt liegenden Punkt aus gesehen, einer veränderlichen Spannung ausgesetzt,
die sich aus der Summe folgender Spannungen zusammensetzt: I. der durch die spontan
in dem Bohrloch auftretenden Gleichströme hervorgerufenen Gleichspannung, 2. der
durch den Dur.chtritt des Stroms mit der Frequenz zwischen den Elektroden A1 und
Bt erzeugten Spannung mit der Frequenz ft, die proportional einem der zu messenden
Scheinwiderstände eJ ist, 3. der durch den Durchtritt des Stroms mit der Frequenz
2 zwischen den Elektroden A2 und B2 erzeugten Spannung mit der Frequenz /2 die proportional
einem der zu messenden Scheinwiderstände e, ist.
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Der Leiter 12 führt zu einer der Klemmen I3 eines selektiven Meßapparats,
dessen andere Klemme 14 bei N geerdet ist. Zwischen diesen Klemmen 13 und 14 liegen
die verschiedenen Kreise, die dazu dienen, die für jedes der drei erwähnten Felder
ausgewählten Charakteristika gesondert zu messen.
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Der Kreis, der zur Messung der Gleichspannungen dient, die spontan
in den verschiedenen Tiefen in dem Bohrloch auftreten, weist einen Potentialdifferenzmeßapparat
Gj und einen Filter Ft auf, deren Charakteristika so ausgewählt sind, daß der Durchtritt
jeglichen Wechselstroms in diesem Zweigstromkreis verhindert wird. Der Kreis für
die Messung des vom elektrischen Feld mit I20 Perioden ausgewählten Charakteristikums,
der parallel zwischen den Klemmen I3 und 14 liegt, besitzt einen Kondensator C2,
um den Durchtritt des Gleichstroms zu verhindern, einen Filter F2, der in an sich
bekannter Weise so ausgebildet ist, daß er nur den Durchtritt des Wechselstroms
zwischen rlo und 130 Perioden beispielsweise gestattet, und einen Potentialdifferenzmeßapparat
G2, um die Wechselpotentialdifferenz mit 120 Perioden zwischen den Elektroden 91
und N zu messen.
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Die Apparatur für die Messung des vom elektrischen Feld mit 240 Perioden
ausgewählten Charakteristikums, die ebenfalls in Parallelschaltung zwischen den
Klemmen I3 und 14 liegt, ist genau in derselben Weise aufgebaut und besitzt einen
Kondeitsator C2, einen Filter F2, der so ausgewählt ist, daß er nur die Wechselströme
durchgehen läßt, deren Periode zwischen 210 und 260 beispielsweise liegt, und einen
Potentialdifferenzmeßapparat Gs.
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Vorzugsweise werden die Frequenzen der benutzten Wechselströme so
ausgewählt, daß sie ziemlich entfernt liegen von der Frequenz der elektrischen Ströme,
wie sie in der Gegend, wo sich das Bohrloch befindet, industriell benutzt werden
(Frequenz von 50 oder 60 Perioden im allgemeinen je nach den Ländern), um die Störpotentialdifferenzen
zu vermeiden die, sei es durch Streuen im Boden, sei es durch Induktion in den Meßkreisen,
hervorgerufen werden könnten. Aus diesen Gründen sind in dem hier beschriebenen
besonderen Fall Ströme mit I20 und 240 Perioden gewählt, jedoch könnte man auch
Ströme niedriger Frequenzen mit 50 Perioden be nutzen.
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Die Einrichtung arbeitet nun wie folgt: Die spontanen Potentialdifferenzen,
die unmittelbar im Bohrloch in der Höhe der porösen Schichten auftreten, werden
unmittelbar zwischen der Elektrode f und der Erdung IV durch den Potentialdifferenzmeßapparat
Gi gemessen. Weiterhin gestattet der Meßapparat G2, die Wechselpotentialdifferenz
mit 120 Perioden zu messen, die zwischen der Elektrodeild und der ErdungN herrscht.
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Diese Potentialdifterenz ist durch den Durchtritt des durch den Wechselstromerzeuger
4 erzeugten Wechselstroms, der zwischen der ElektrodeA, und der Elektrode B1 abfließt,
durch das Bohrloch und die dem Bohrloch benachbarten Schichten bedingt. Sie ist
proportional einem der Scheinwiderstände Q1, die man messen will. Auf dieselbe Weise
ergibt der Meßapparat G2 die Potentialdifferenz zwl schen der Elektrode iii und
der Erdung N, die auf den Durchtritt des durch den Wechselstromerzeuger 5 erzeugten
Wechselstroms, der zwischen den Elektroden 2 und B2 abfließt, durch das Bohrloch
und die dem Bohrloch benachbarten Bodenschichten zurückgeht.
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Diese Potentialdifferenz ergibt den Wert des anderen Scheinwiderstandes
Q2, den man messen will. Der Vergleich der so gemessenen
Scheinwiderstände
mittels zweier Einrichtungen verschiedener Abmessungen gestattet, in der Mehrzahl
der Fälle sehr genaue Ergebnisse iiber den wirklichen Widerstand der Schichten und
die Durchdringung der Schichten durch das Wasser oder die Bohrlochspülungzu erhalten.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungs form unterscheidet sich
die Einrichtung von derjenigen nach Fig. I nur darin, daß, um den an die Erdoberfläche
übertragenen Strom nach den verschiedenen Grundfrequenzen zu analysieren, an Stelle
von Filtern Vibrationsgalvanometer vorgesehen sind, die unmittelbar und getrennt
Amplituden des jeder Frequenz entsprechenden Stroms registrieren. Das eine dieser
Galvanometer G'2 wird z. B. auf eine Frequenz von 120 Perioden und das andere G'3
auf eine Frequenz von 240 Perioden eingestellt. Diese beiden Galvanometer G'2 und
G's sind in Serie mit einem Kondensator C' zwischen den Punkten I3 und 14 angeordnet,
wobei der Kondensator C' dazu dient, den Durchtritt des Gleichstroms zu verhindern.
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Im übrigen ist ein anderes Galvanometer G'1 für die Messung des Gleichstroms,
wie im vorhergehenden Fall, zwischen den Punkten I3 und 14 in Parallelschaltung
mit den Galvanometern G'2 und G'5 und in Serie mit einem Filtert angeordnet, der
dazu dient. den Durchgang des Wechselstroms in diesem Nebenschluß zu verhindern.
Die drei Galvanometer G'3, G'2 und G'3 gestatten, gesondert in einer an sich bekannten
Weise die Amplituden des Gleichstroms, des Stroms mit I20 Perioden und des Stroms
mit 240 Perioden zwischen I3 und 14 zu registrieren.
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Die Einrichtung der Fig. 3 ist ähnlich derjenigen der Fig. I, nur
gestattet sie über die schon angegehenen Größen hinaus, noch die in dem Bohrloch
in der Höhe, in der man die Messung durchführt, herrschende Temperatur zu messen.
Zu diesem Zweck ist auf der Welle des SIotors 3, außer den Wechselstromerzeugern
4 und 5 ein dritter Wechselstromerzeuger 15 angeordnet, der dazu bestimmt ist, ein
beispielsweise durch eine Wheatstonesche Brücke, deren Spitzen mit I6, I7, 18, 19
bezeichnet sind, gebildetes Widerstandsthermometer zu speisen. Zwei der gegenüberliegenden
Widerstände 16-17 und 18- I 9 sind bekannt, untereinander gleich und unveränderlich,
indem sie aus einer Legierung bestehen, deren Widerstand nicht gegen Temperaturänderungen
empfindlich ist, während die anderen Widerstände 16-19 und 17-18, ebenfalls untereinander
gleich, hingegen aus einer Legierung bestehen, deren Widerstand sich mit der Temperatur
ändert, wie dies z. B. in dem französischen Patent 827 274 beschrieben ist. Die
Spitzen I6, I8 sind mit den beiden Klemmen des Ävediselstromerzeugers I5 verbunden,
während die Spitze 19 z. B. mit der Meßelektrode iII verbunden ist und die Spitze
I7 mit dem Leiter 12, der dazu dient, den Strom an die Erdoberfläche zu übertragen.
Der Wechselstromerzeuger 15 hat eine andere Frequenz als diejenige der Wechselstromerzeuger
4 und 5, z. B. eine Frequenz von 360 Perioden. An der Erdoberfläche ist die Einrichtung
ähnlich derjenigen der Fig. I, jedoch besitzt sie einen zusätzlichen Nebenscbluß,
in den ein Kondensator C4, ein Meßapparat G4 und ein FilterF4 eingeschaltet sind,
der nur den Strom zwischen 330 und 400 Perioden beispielsweise durchtreten läßt.
Wie im Falle der Fig. 1 mißt der Apparat G1 nur die Gleichpotentialdifferenzen,
und die Apparate G2 und G3 messen entsprechend die Wechselpotentialdifferenzen mit
120 und 240 Perioden zwischen den Elektroden 31 und N.
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Der Apparat G4 mißt die Potentialdifferenzen mit 360 Perioden, die
in dem Kreis durch die Unsymmetrie der Wheatstoneschen Brücke erzeugt werden. Die
Filter Fs, F3, F4 sind so konstruiert, daß sie die verschiedenen anderen Frequenzen
als diejenigen, die gerade gemessen werden sollen. nicht in die entsprechenden Meßapparate
gelangen lassen. Der Meßapparat G4 gestattet also, die Temperatur festzustellen,
die in.dem Bohrloch in der Höhe, wo sich der Apparat befindet, herrscht.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist angenommen, daß man zwei
Scheinwiderstandsmeßeinrichtungen benutzen will, Man könnte selbstverständlich auch
drei oder vier oder noch mehr verwenden. Hierfür würde es ausreichen, eine entsprechende
Anzahl von Wechselstromerzeugern verschiedener Frequenzen auf der Motorwelle anzuordnen
und zwischen den Klemmen 13 und 14 eine entsprechende Anzahl von Filtermeßkreisen
vorzusehen.
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Im Falle, wo man eine große Anzahl von Messungen gleichzeitig in
dem Bohrloch durchzuführen hat, kann man, um nicht die Zahl der Wechseistromerzeuger
und der verwendeten Frequenzen übermäßig zu erhöhen, Umschaltrelais verwenden, die
nacheinander zwei oder mehrere im Bohrloch befindliche Mefiapparate auf denselben
Meßkreis abzxveigen, wobei diese Umschaltrelais von der Erdoberfläche aus vermittels
des oder der isolierten Leiter, die die Erdoberfläche mit den in das Bohrloch hinabgesenkten
Apparaten verbinden, durch genügend starke Stromstöße gesteuert werden können.
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An den beschriebenen Einrichtungen können selbstverständlich noch
zahlreiche andere Änderungen vorgenommen werden, ohne daß
man sich
von dem Efindungsgedanken entfernt. Insbesondere kann das Kabel 12 eine Metallumfiechtung
besitzen und der Meßkreis auch, anstatt daß er sich durch die Erde bei N schließt,
durch die Zwischenschaltung dieser Metallumfiechtung schließen.