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Verfahren und Einrichtung zur Untersuchung von Bohrlöchern auf elektromagnetischem
Wege
Die Erfindung bezieht sich auf eine Untersuchungsmethode der von einem Bohrloch
durch schlagenen Bodenschichten.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Bohrlöcher elektromagnetisch
zu untersuchen, indem eine mit Wechselstrom gespeiste Sendespule in ein Bohrloch
hinabgelassen und der Einfluß der umgebenden Schichten auf das durch die Spule erzeugte
elektromagnetische Feld gemessen wird. Üblicherweise werden solche Meßergebnisse
dadurch erhalten, indem die in einer Empfangsspule, welche koaxial mit der Sendespule
im Abstand. von dieser in das Bohrloch hinabgelassen wird, induzierte Spannung gemessen
wird, wobei die Sende- und Empfangsspule ein Zweispulensystem bilden.
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Wenngleich Zweispulensysteme dieser Art interessante Aufschlüsse
ergeben, so ist ihre Anwendung in gewissen Fällen jedoch dadurch eingeschränkt,
daß sie nicht nur auf die ein Bohrloch umgebenden Schichten, sondern auch auf jede
Säule leitender Flüssigkeit, die in dem Bohrloch vorhanden sein kann, ansprechen.
Wenngleich der Bohrlochdurchmesser gewöhnlich konstant ist, so kommen doch gelegentlich,
insbesondere in der Gegend von abbröckeluden Schichten, beispielsweise Erweiterungen
vor, so daß sich also die seitliche Entfernung bis zur Grenze zwischen der Bohrlochflüssigkeit
und der Wand des Bohrlochs in Funktion der Bohrlochtiefe ändern kann. Der Anteil
der Bohrlochflüslsigkeit an der Gesamtbeeinflussung des Spulensystems
kann
sich somit in solchen Fällen mit der Bohrlochtiefe ändern und so zu einer irrtümlichen
Auswertung der Meßergebnisse Anlaß geben.
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Außerdem wird der größere Anteil der Beeinflussung eines gewöhnlichen
Zweispulenindtuktionssystems durch Material auf verhältnismäßig breiter Zone in
seitlicher Entfernung von der Achse des Systems verursacht, welche Entfernung wiederum
von dem Längsabstand zwischen den Spulen abhängig ist. Solche Systeme sind daher
nicht gut für Untersuchungsvorgänge geeignet, bei denen es wünschenswert ist, Aufschluß
über Material zu erhalten, das in einer verhältmsmäßig schmalen Zone in einer bestimmten
seitlichen Entfernung von der Achse des Bohrlochs liegt.
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Fernerhin ist die Beeinflussung eines üblichen Zweispulensystems
nicht eine einfache Funktion der relativen Homogenität des Materials in verschiedenen
seitlichen Abständen von der Achse des Bohrlochs. Demnach sind solche Systeme nicht
besonders geeignet, wenn es sich darum handelt, Gewißheit über das Ausmaß der Durchdringung
der Schichten durch die in den Bohrlöchern vorhandene Flüssigkeit zu erhalten.
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Der Hauptzweck der Erfindung ist; eine neue und verbesserte Induktionsmeßmethode
und hierfür geeignete Apparate zu schaffen, durch die Meßwerte größerer Genauigkeit
und Zuverlässigkeit erhalten werden. Gleichzeitig bezweckt die Erfindung, die Beeinflussung
von seiten Materials, das in einer Zone zwischen zwei seitlich im Abstand voneinander
liegenden Stellen auf einer von der Achse des Bohrlochs ausgehenden radialen Linie
liegt, herabzumindern. Fernerhin soll der Einfluß irgendwelcher Bohrlocbfiüssigkeit
oder von Erweiterungen des Bohrlochquerschnitts auf die Induktionsmessungen verringert
werden.
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Dazu bezweckt die Erfindung, die Empfindlichkeit gegenüber Materialien,
die in verhältnismäßig großen seitlichen Entfernungen von dem Bohrloch liegen, zu
verringern und die Breite der seitlichen Zone, auf die der größere Teil der Beeinfassung
zurückzuführen ist, einzuengen, wodurch mehr lokalisierte Feststellungen getroffen
werden können.
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Schließlich bezweckt die Erfindung, zuverlässige Erkenntniss.e über
die relative Homogenität der umgebenden Schichten in verschiedenen seitlichen Entfernungen
zu gewinnen.
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Die vorerwähnten und weitere Zwecke werden erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß Mehrspulensysteme angewandt werden, die eine Mehrzahl von Zweispulensystemen
verschiedener Empfindlichkeitscharakteristik aufweisen, deren Beeinflussungen in
einer solchen Weise kombiniert werden, daß eine erwünschte Empfindilichkeitschara1<teristik
geschaffen wird. Wenn beispielsweise eine verringerte seitliche Empfindlichkeit
in einer Zone zwischen zwei in einem seitlichen Abstand voneinander liegenden Stellen
auf einer von der Achse des Bohrlochs ausgehenden radialen Lin-ie erwünscht ist,
können zwei oder mehrere Zweispulensysteme in Gegenschaltung kombiniert werden,
von denen zumindest eines der beiden entsprechend ausgebildet ist, um die Empfindlichkeit
der ganzen Kombination in der gewünschten Zone ohne nachteilige Beeinflussung der
Empfindjlichlæeitscharakteristik in seitlichen Abständen außerhalb der genannten
Zone zu verringern. Im speziellen Fall kann die Zone verringerter Empfindlichkeit
jene sein, die die Bohrlochfiüssigkeit enthält, welche sich von der Achse des Bohrlochs
bis zu dem größten Radius irgendeiner Erweiterung von iìhm erstrecken kann, oder
ein Teil von jener. Solche Zone kann auch den durchdrungenen Teil der umgebenden
Schichten ganz oder teilweise einschließen.
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Eine verringerte seitliche Empfindlichkeit gegenüber Materialien,
die jenseits einer bestimmten seitlichen Entfernung vorder Bohrlochachse liegen,
kann in einer ähnlichen Weise entweder allein oder zusammen mit einer verringerten
seitlichen Empfindlichkeit gegenüber Materialien, die verhältnismäßig nah am Bohrloch
gelegen sind, erreicht werden.
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Die Erfindung zieht auch die Anwendung von Mehrspulensystemen inBetracht,
dieLängsempfindlichkeitscharakteristiken haben, die in einer ähnlichen Weise durch
eine entsprechende Rombination zweier oder mehrerer Zweispulensysteme abgeändert
werden können. Für besondere Fälle können die Empfindlichkeitscharakteristiken für
die betreffenden Zweispulensysteme so gewählt werden, daß ein System im ganzen entsteht,
welches eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Materialien besitzt, die in der
Nähe des oberen und; unteren Endes des Spulensystems gelegen sind. Mehrspulensysteme,
die in Idieser Weise aufgebaut sind', ermöglichen, verhältnismäßig dünne Schichten,
d. h. Schichten, deren Stärke in der Größenordnung eines Mehrfachen des Bohrlochdurchmessers
liegt, eindeutiger zu bestimmen.
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Beeinflussungen, die auf die Inhomogenität der Materialien quer zur
Längsachse der Apparatur zurückzuführen sind, können gemäß der Erfindung durch Kombination
zumindest zweier Zweispulensysteme aufgenommen werden.
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Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung der Zeichnungen hervor.
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Fig. I veranschaulicht in schematischer Darstellung ein übliches
Zweispuleninduktionsmeßsystem; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Dreispuleninduktionsmeßsystems
gemäß der Erfindung; Fig. 3 ist eine graphische Darstellung typischer seitlicher
Empfindlichkeitskurven für die verschiedenen Zweispulenkombinationen in dem System
gemäß Fig. 2 sowie für das System im ganzen; Fig. 4 zeigt ein asymmetrisches Vierspulensystem
gemäß der Erfindung; Fig. 4A ist eine schematische Darstellung eines symmetrischen
Vierspulensystems; Fig. 5 ist eine graphische Darstellung typischer seitlicher Empfindl
ichkeitskurven für,das System der Fig. 4;
Fig. 5A ist eine graphische
Darstellung typischer seitlicher Empfindlichkeitskurven für das System gemäß Fig.
4A; Fig. 5 B ist ein vergrößerter Teilausschnitt der graphischen Darstellung der
Fig. 5 A in der Nähe des Nullpunkts des Koordinatensystems; Fig. 6 ist eine graphische
Darstellung, die typische seitliche Empfindlichkeitskurven für ein Vierspulensystem
der in Fig. 4A dargestellten Art für zwei verschiedene Windungsverhältnisse zwischen
den Hilfs- und den Hauptspulen bei den gleichen Abständen zeigt; Fig. 7 ist eine
schematische Darstellung eines Spulensystems mit einer verengten Zone seitlicher
Beeinflussung; Fig. 8 ist eine graphische Darstellung typischer seitlicher Empfindlichkeitskurven
für die verschiedenen Zweispulenkombinationen des in Fig. 7 dargestellten Spulensystems
und für das ganze System; Fig. 9 veranschaulicht schematisch ein in der Längsrichtung
einstellibares Spulensystem gemäß der Erfindung; Fig. 10 ist eine graphische Darstellung
einer Längsempfindlichkeitskurve für ein System gemäß Fig. g; Fig. I,I ist eine
schematische Darstellung eines Systems für Aufschlüsse über die relative Homogenität
der ein Bohrloch umgebenden Schichten; Fig. 12 ist eine graphische Darstellung einer
typischen seitlichen Empfindlichkeitskurve eines Systems gemäß Fig. 11.
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Die Fig. 1 bis 6 beziehen sich auf Spulensysteme, die durch eine
verminderte seitliche Empfindlichkeit gegenüber verhältnismäßig nah am Apparat befindlichen
Materialien gekennzeichnet sind. Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen Spulensysteme,
die eine verminderte seitliche Empfindlichkeit gegenüber verhältnismäßig weit entfernt
vom Apparat liegenden Materialien besitzen, einschließlich Systeme, die eine verengte
seitliche Untersuchungszone aufweisen. Fig. g und 110 betreffen in erster Linie
in der Längsrichtung einstellbare Systeme, um genaue Meßergebnisse von verhältnismäßig
dünnen Schichten zu erhalten, von denen einige auch eine verminderte seitliche Empfindlichkeit
haben. Fig. 11 und 12 stellen Systeme dar, bei denen die Beeinflussung eine Funktion
der Inhomogenität des umgebenden Materials in verschiedenen seitlichen Entfernungen
ist. Der Einfachheit halber sollen diese vier Kategorien in der angegebenen Reihenfolge
gesondert betrachtet werden.
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Spulensysteme mit verminderter seitlicher Empfindlichkeit gegenüber
verhältnismäßig nahe liegenden Materialien Ein übliches Induktionsmeßsystem ist
in Fig. I gezeigt. Es besteht aus einem Induktionsmeßapparat I0, der an einem zur
Erdoberfläche hinführenden Kabel I2 in einem Bohrloch II aufgehängt ist. Das Bohrloch
II kann eine Flüssigkeit 19 enthalten, die mehr oder weniger leitend als die uingebeniden
Erdschichten sein kann. In bestimmten Fällen braucht auch keine Flüssigkeit vorhanden
zu sein. Das Kabel 12 läuft über eine Scheibe I3 zu einer Winde 14, durch die es
in dem Bohrloch II angehoben und herabgesenkt werden kann.
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Der Meßapparat 10 kann beispielsweise ein.
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Sendespule 15 besitzen, die von einem geeigneten Oszillator in einem
Gehäuse I8 mit Wechselstrom gespeist wird, der wiederum über nicht dargestellt Leiter
in dem Kabel 12 durch eine Kraftquelle I6 mit Energie versorgt wird. Die weiterhin
vorgesehene Empfangsspule I7 ist mit einer geeigneten elektronischen Ausrüstung
in dem Gehäuse 18 verbunden. Die elektronischen Kreise in dem Gehäuse 18 sind vorzugsweise
dazu bestimmt, um die gleichgerichtete Widerstandskomponente des in der Empfangs
spule 17 induzierten Signals auszuwählen.
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Die Widerstandskomponente am Ausgang des Gehäuses 18 wird durch nicht
dargestellt1e Leiter in dem Kabel 12 zu entsprechenden Registriergeräten Iga übertragen,
die vorzugsweise eine automatische Aufzeichnung vollführdn, die eine Funktion der
Widerstandskomponente der in der Empfangs spule I7 induzierten Spannung ist, wenn
der Apparat 10 durch das Bohrloch II bewegt wird.
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Die seitliche Empfindlichkeit eines gewöhnlichen Zweispulensystems,
wie es in Fig. I gezeigt ist, ist durch die Kurve 212 in Fig. 3 gegeben. Die seitliche
Empfindlichkeit des Systems in beliebiger seitlicher Entfernung von seiner Längsachse
wird als die Widerstandskomponente des Einflusses des Systems auf eine konzentrisch
liegende lange zylindrische Hülse einheitlieher Stärke und Leitfähigkeit definiert,
deren Radius gleich ist der erwähnten seitlichen Entfernung. Die relativen Beeinflussungen,
die für zylindrische Hülsen verschiedener Radien in einem homogenen Medium erhalten
werden, bestimmen, wenn alle anderen Faktoren konstant gehalten werden, die Empfindlichkeit
des Systems in verschiedenen seitlichen Entfernungen von seiner Längsachse. Die
Gesamtbeeinflussung des Systems ist daher proportional der Fläche unter der Kurve
22.
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Wenn selbstverständlich das Medium nicht homogen ist, sondern sich
aus benachbarten zylindrischen Hülsen verschiedener Leitfähigkeit beispielsweise
zusammensetzt, wird der Anteil jed;er Hülse an der Gesamtbeeinfiussung des Systems
proportional der Leitfähigkeit und Stärke der Hülse sowie auch der Empfindlichkeit
des Systems bei dem Hülsenradìus sein.
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In Fig. 3 sind auf der Abszisse x für die Kurve 22 die seitlichsen
Entfernungen von der Längsachse des Spulensystems entsprechend den verschiedenen
Radien der angenommenen zylindrischen Hülsen, gemessen in Einheiten von D, dem halben
Abstand zwischen den Spulen 'I5 und I7 aufgetragen, während die Ordinaten y den
relativen Empfindlichkeitswerten der Empfangsspule I7 bei den entsprechenden Hülsenradien
entsprechen. Es ist festzustellen, daß die Kurve 22 vom Nullpunkt steil zu einem
Empfindlichkeitsgipfelwert in einer seitlichen Entfernung von ungefähr o,g D führt,
dann langsamer abfällt und in einer Asymptote zu der Achse ausläuft. Es ist daher
einleuchtend, daß,
wenn ein Zweispulensystem der in Fig. I gezeigten
Art in einem Bohrloch aufgehängt wird, das eine Säule leitender Flüssigkeit enthält,
ein Teil seiner Gesamtbeeinflussung auf die Leitfähigkeit der Bohrlochflüssigkeit
zurückgeht.
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Wenn das Meßsystem in dem Bohrloch durch irgendwelche geeignete Zentriermittel
zentriert gehalten wird und der Durchmesser des Bohrlochs als eine Funktion der
Tiefe im wesentlichen konstant ist, so wird der Anteil der Gesamtbeeinflussung des
Systems, der von der Leitfähigkeit der Bohrlochflüssigkeit herrührt, im wesentlichen
konstant sein und kann je nach Wunsch unberücksichtigt bleiben oder kompensiert
werden.
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In der Praxis indessen ist der Bohrlochdurchmesser nicht immer konstant,
sondern es kommen zuweilen Erweiterungen in verschiedenen Tiefen, insbesondere in
der Höhe von abbröclcelnden Schichten vor. Als Folge davon kann sich der Anteil
an der Gesamtbeeinflussung, der auf die leitende Bohrlochflüssigkeit zurückgeht,
in Funktion der Tiefe ändern und so die Ursache von Ungenauit,-keiten in den erhaltenen
Meßergebnissen bilden.
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Gemäß der Erfindung werden die unerwünschten Einflüsse der Bohrlochflüssigkeit
und von Erweiterungen des Bohrlochquerschnitts durch Verringerung der seitlichen
Empfindlichkeit des Systems in einer Gegend um die Bohrlochachse herum, von der
solche unerwünschten Einflüsse hefkommen können, herabgemindert. Dies wird dadurch
erreicht, daß man Mehrspulensysteme ver,vendet, die ein Hauptzweispulensystem mit
einer seitlichen Empfindlichkeitscharakteristik der durch die Kurve 22 in Fig. I
dargestellten Art und zumindest ein Hilfszweispulensystem besitzen, das seine Spitzenempfindlichkeit
in einer geringeren seitlichen Entfernung als diejenige hat, in der die Spitzenempfindlichkeit
des Hauptzwei spuiensystems auftritt. Im folgenden wird das Zweispulensystem eines
Meßsystems, das die größte Beinflussun,g in einem homogenen Medium hervorruft, als
das Hauptzweispulensystem angesehen.
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Bei dem Beispiel der Fig. 3 kann die erwünschte Verringerung in der
Empfindlichkeit dadurch bewirkt werden, daß mit dem Spulensystem der Fig. I ein
zweites Spulensystem verbunden wird, das eine gleiche Empfindlichkeits charakteristik
wie die durch die Kurve 23 in Fig. 3 dargestellte besitzt. Das zweite oder Hilfsspulensystem
kann so ausgebildet werden, daß es die Spitzenempfindlichkeit etwa an der äußeren
Grenze der Zone verringerter Beeinflussung hat, so daß das ganze System eine Nullempfindlichkeit
an jenem Punkt und eine ansehnlich verringerte Empfindlichkeit in den seitlichen
Entfernungen bis zu jenem Punkt haben wird. Die sich ergebende Empfindlichkeit des
Systems, die die algebraische Summe der Kurven 22 und 23 ist, ist durch die Kurve
21 gegeben.
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Ein typisches Mehrspulensystem gemäß der Erfindung ist in Fig. 2
dargestellt. Das Hauptzweispulensystem besitzt die Sendespule xI5 und die Empfangsspule
17, während das zweite Spulensystem eine Hilfssendespule 20 und die gemeinsame Empfangsspule
I7 aufweist. Um eine Empfindlichkeitscharakteristik der durch die Kurve 21 in Fig.
3 dargestellten Art zu schaffen, würden die Sendespulen 15 und 20 in Gegenschaltung,
wie gezeigt, zu verbinden sein, so daß die in der Empfangs spule I7 induzierten
Beeinflussungen gegeneinander zusammentreffen.
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Wie erwähnt, kann das Spulensystem mit der Senldespule 20 und der
Empfangsspule I7 für eine Spitzenempfindlichkeit an der äußeren Grenze der Zone
geminderter Beeinflussung ausgelegt werden.
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Der Abstand zwischen den Spulen 20 und I7 kann dann von der seitlichen
Entfernung zu der für die Zone verringerter Beeinflussung gewählten äußeren Grenze
bestimmt werden, wenn man bedenkt, daß die Spitze der Empfindlichkeitskurve für
ein Zweispulensystem etwa bei o,g des halben Abstandes zwischen den Spulen auftritt.
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Die Ordinaten der Empfindlichkeitskurve für ein Zwispulensystem sind
proportional der Größe St Sr worin Dt, r der halbe Abstand zwischen der (Dt, r)²
Sende- und Empfangsspule und St und Sr die Gesamtflächen (die durchschnittlich wirksame
Fläche begrenzt durch eine Windung, vervielfacht durch die Anzahl von Windungen)
der Sende- und Empfangsspulen sind. Für die Nullempfindlichkeit des ganzen Systems
in der seitlichen Entfernung bis zur äußeren Grenze der Zone verringerter Empfindlichkeit
geht aus Fig. 3 hervor, daß die Amplitude der Empfindlichkeit für das Spulensystem
mit den Spulen 20 und I7 vorzugsweise gleich sein würde der Empfindlichkeit des
Spulensystems mit den Spulen 15 und 17 in jener seitlichen Entfernung.
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Indem die Gesamtflächen der Spulen 15 und I7 bekannt sind, ist es
daher eine verhältnismäßig einfache Sache, zu bestimmen, welches die Gesamtfläche
oder Spule 20 sein müßte, um dem Zweispulensystem mit den Spulen 20 und I7 eine
Empfindlichkeitscharakteristik ähnlich der Kurve 23 der Fig. I zu geben.
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Aus der Felderfahrung ergibt sich, daß, wenn die Zone verringerter
Empfindlichkeit bis zu einer seitlichen Entfernung nahezu oder ungefähr dem Zweifachen
des Bohrlochradius reicht, die meisten Bohrlocherweiterungen sowie auch jegliches
geringes Eindringen der Bohrlochflüssigkeit in die umgebenden Schichten darunter
fallen. Demgemäß kann es wünschenswert sein, die äußere Grenze der Zone verringerter
Empfindlichkeit in eine Entfernung des zweifachen Radius des Bohrlochs zu legen.
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Offensichtlich sollte der Abstand zwischen den Hauptspulen 15 und
I7 groß genug gewählt werden, um zu gewährleisten, daß die Spitze der Empfindlichkeitskurve
22 hinter der äußeren Grenze der Zone verringerter Empfindlichkeit auftritt, d.
h.
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0,9 D müßte größer sein als das Zweifache des Bohrlochradius, Wenn
der für D, den halben Abstand zwischen den Spulen 15 und I7, gewählte Wert ein solcher
ist, daß 0,4 D gleich ist dem Zweifachen des Bohrlochradins beispielsweise, kann
die erwünschte Gesamtempfindlichkeitscharakteristik, die durch die Kurve 21 der
Fig. 3 dargestellt ist,
dadurch erhalten werden, daß die Sendespule
20 mitten zwischen den Spulen 15 und I7 angeordnet, sie in Gegenschaltung mit der
Sendespule 15 verbunden und ihre Gesamtfläche etwa I6,40/o der Fläche der Spule
15 gewählt wird. Für diese Werte ist die Empfindlichkeit des Systems bei 0,4 D gleich
Null und wird in der Zone zwischen der Achse des Meßsystems und 0,4 D wesentlich
verringert, obwohl die Kurve 21 in dieser Zone, wie es aus Fig. 3 hervorgeht, einen
schmalen, negativen Verlauf hat.
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Wenn erwünscht, kann ein Mehrspulensystem, äihnlich wie das in Fig.
2, für eine im wesentlichen Nullempfindlichkeit über eine Zone, die von der Achse
des Systems bis zu irgendeiner gewählten seitlichen Entfernung von dieser reicht,
ausgelegt werden. Dies kann dadurch geschehen, daß man den halben Abstand für das
engste Paar von Sende-und Empfangsspulen wenigstens zweiundeinhalbmal so groß wie
die seitliche Entfernung wählt, über die eine Nullbeeinfiussung erwünscht ist, und
das System so ausgestaltet, daß es der nachfolgenden Gleichung entspricht:
In dieser Formel gelten t und r für alle möglichen Paare von Sende- und Empfangsspulen,
Dt, r ist die Hälfte der Entfernung zwischen jedem Paar von Spulen. St ist die Gesamtfläche
einer Sendespule und Sr die Gesamtfläche einer Empfangsspule. So ist der Zähler
das Produkt der Gesamtflächen eines Paares von Spulen, und der Nenner ist das Kubik
ihres halben Abstandies.
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Die Zeichen in dem Nenner kennzeichnen die Polarität der Windungen
jeder Spule. Eine besondereSpule, z. B. in dem Sendesystem, sei als positiv angenommen.
Dann werden alle anderen Sendespulen, die in Reihe mit jener Spule verbunden sind,
gleichfalls positiv sein, während jene Sendespulen, die mit jener Spule in Gegenschaltung
verbunden sind, als negativ zu gelten haben. Eine ähnliche Beziehung gilt für die
Spulen in dem Empfängersystem.
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Wenn alle Spulen in dem Sendesystem in Reihe verbunden sind, ist
der Augenblicksstrom in jeder Sendespule der gleiche. In ähnlicher Weise ist, wenn
die Empfangsspulen in Reihe miteinander verbunden sind, die gesamte elektromotorische
Kraft die algebraische Summe der in den jeweiligen Empfangsspulen einzeln induzierten
elektromotorischen Kräfte.
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Wenn die Spulen Solenoide von gleichem Radius sind, die längs einer
gemeinsamen Achse angeordnet sind, kann die Gleichung (I) vereinfacht werden auf
worin Nt, Nr die Windungszahlen der Sende- und Empfangsspulen des jeweils betrachteten
Paares bedeuten.
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Wenn die Spule 20 in Fig. 2 ein Achtel der Windungszahl der Spule
15 trägt und in Gegenschaltung mit der Spule 15 verbunden ist, ergibt der Ausdruck
auf der linken Seite der Gleichung (2)
worin N15 die Windungszahl der Spule 15> Nj7 die Windungszahl der Spule I7 und
D die halbe Entfernung zwischen den Spulen 15 und I7 bedeutet.
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Es wird sich ergeben, daß der Wert dieses Ausdrucks Null ist, so daß
die Gleichung (2) genügt.
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Wenn dann als Abstand zwischen den Spulen 20 und I7 etwa das Fünffache
der Seitenentfernung gewählt wird, über die eine Nullbeeinflussung angestrebt wird,
so wird die erwünschte Empfindlichkeitscharakteristik erhalten und ist durch die
Kurve 2'Ia in Fig. 3 dargestellt.
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Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß, während die Spulen 15 und
20 in Fig. 2 zu einer Sendegruppe verbunden sind und die Spule I7 die alleinige
Empfangsspule darstellt, die gleiche Empfindlichkeitskurve für seitliche Untersuchungen
erhalten werden würde, wenn der gleiche Sendestrom durch die Spule I7 gehen würde
und die Spulen 15 und so als Empfängergruppe genommen würden.
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Solche Austauschbarkeit gilt für die hier erörterten Spulensysteme.
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Spulensysteme der Art, daß die Gleichung (I) erfüllt wird, haben
den weiteren Vorteil einer verringerten gegenseitigen Induktanz zwischen der Sendegruppe
und der Empfangsgruppe von Spulen.
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Die gegenseitige Induktanz wird nämlich vernachlässigbar, wenn das
Spulensystem beispielsweise in freiem Raum aufgehängt ist. Dieses Merkmal ist wichtig,
da gegenseitige Induktanz zwischen den Spulengruppen ein Reaktionssignal in den
Meßkreis einführt, das unerwünscht sein kann, wenn Anzeigen über Widerstandssignale
ermittelt werden sollen.
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Wälhrenld die Spule 20 mitten zwischen den Spulen I5 und I7 in Fig.
2 im vorhergehenden Ausführungsbeispiel gezeigt ist, kann sie auch entweder oberhalb
oder unterhalb der gemeinsamen Empfangsspule 17 angeordnet werden, jedoch nur unter
der Voraussetzung, daß der Abstand zwischen ihr und der Spule I7 geringer ist als
die Entfernung zwischen den Spulen 15 und I7.
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In gewissen Fällen kann die Verringerung in der Empfindlichkeit,
die mit einem Spulensystem der in Fig. 2 dargestellten Art erhalten wird, das eine
Empfindlichkeitscbarakteristik, wie sie durch die Kurve 21I in Fig. 3 dargestellt
ist, besitzt, nicht ausreichend sein. In solchen Fällen kann eine weitere Verringerung
in der Empfindlichkeit gemäß der Erfindung dadurch erzielt werden, daß man dem Mehrspulensystem
der Fig. 2 ein drittes Zweispulensystem, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, hinzuzeigt.
In Fig. 4 besitzt das dritte Zweispulensystem
eine dritte Sendespule
62 und die gemeinsame Empfangsspule I7.
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Das dritte Zweispulensystem soll so gestaltet sein, daß es eine Empfindlichkeitscharakteristik
besitzt, deren Ordinaten, wenn sie zu den Ordinaten der Kurve 21 addiert werden,
die Ordinaten der letzteren Kurve zwischen dem Nullpunkt und 0,4 D verringern. Es
ist daher wünschenswert, daß die Empfindlichkeitsspitze des dritten Zweispulensystems
etwa auf dem seitlichen Entfernungsstück zur negativen Spitze der Kurve 21 auftritt
und seine Amplitude nahezu die gleiche ist wie die Amplitude der Kurve 2I in einem
zweiten abszissen Wert zwischen dem Nullpunkt und o,4D. Eine typische Empfindlichkeitskurve
70, die geeignete -Charakteristika aufweist, ist in Fig. 5 gezeigt. Da die Empfindlichkeitsspitze
für jedes Zweispulensystem etwa bei o,g der halben Entfernung zwischen den Spulen
auftritt, kann eine geeignete Stelle für die Spule 62 im Hinblick auf die Spulen
I5, I7 und 20 leicht ausgewählt werden. Da weiterhin die Ordinaten der Empfindlichkeitskurve
22 proportional der Gleichung So So (Dt, r)2 sind, worin St, 5r und Dh r wie zuvor
definiert werden, kann eine geeignete relative Gesamtfläche für die Spule 62 leicht
bestimmt werden.
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In der Praxis ist festgestellt worden, daß die Hinzufügung einer
entsprechend ausgebildeten Spule 62, um eine Nullempfindlichkeit, sagen wir bei
0,2 D, zu ergeben, das System so ändert, daß die Empfindlichkeit bei 0,4 D nicht
länger Null ist.
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Indessen kann durch geringe Angleichungen der Flächen der Spulen 20
und 62 die Empfindlichkeit des Systems bei beliebig gewählten zwei Abszisse werten,
wie z. B. 0,2 D und 0,4 D, auf Null gebracht werden. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, daß man die Spule 20 mitten zwischen die Spulen 15 und I7, die
Spule 62 mitten zwischen die Spulen 20 und I7 setzt, die Spulen 20 und 62 in Gegenschaltung
und in Reihe entsprechend mit der'Spule 15 verbindet und die Gesamtflächen der Spulen
20 und 62 20,5 und 1,33 O/o der Gesamtfläche der Hauptspule 15 macht. Für diese
Werte wird eine Empfindlichkeitskurve 63 gemäß Fig. 5 erhalten. Wie angegeben, sind
die Ordinaten der Kurve 63 bei 0,2 D und 0,4 D Null, und die Kurve hat positive
und negative Schleifen geringer Amplitude zwischen dem Nullpunkt und 0,4D.
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Wo eine gegenseitige Induktanz etwa vom Wert Null bei einem System
der in Fig. 4 gezeigten Art erwünscht ist, kann das System so ausgebildet werden,
daß die zuvor erwähnte Gleichung (1) erfüllt wird. Bei dem Spulensystem der Fig.
4 mit 1den angegebenen Abständen und Verbindungen wird die Gleichung (I) erfüllt,
wenn die relativen Gesamtflächen der Spulen 20 und 62 entsprechend Ig,9 und o,8
O/o der Gesamtfläche der Hauptspule 15 betragen.
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Eine typische Empfindlichkeitrkurve 64 für ein so ausgebildetes System
ist in Fig. 5 gezeigt.
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Wenn auch Mehrspulensysteme der in den Fig. 2 und 4 gezeigten Art
in der Praxis durchaus wirkungsvoll sind, sind die durch sie hervorgerufenen Messungen
jedoch nicht symmetrisch, d. h. die Teile der Aufzeichnung, die in der Nachbarschaft
der oberen und unteren Grenze einer homogenen Schicht, die zwischen zwei anderen
gleichen homogenen Schichten eingebettet ist, erhalten werden, sind nicht symmetrisch
zu einer Mittellinie durch die Schicht. Wo symmetrische Meßergebnisse gewünscht
werden, kann ein Mehrspulensystem der in Fig. 4A gezeigten Art verwandt werden.
In Fig. 4A besitzt das Mehrspulensystem in der Hauptsache vier Zweispulensysteme,
d. h. die Spulen II5 und I7, 15 und 28, I7 und 27 und die Spulen 28 und 27. Vorzugsweise
sind Edie Hauptsendespule 15 und die Hauptempfangsspule I7 entsprechend in Gegenschaltung
mit zwei Hilfsspulen 27 und 28 (Fig. 4A) verbunden.
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Vorzugsweise soll das Windungsverhältais zwischen den Hilfsspulen
27 und 28 und den entsprechenden Hauptspulen 15 und 17 das gleiche sein, obwohl
die Windungszahl in einer Haupt-oder Hilfsspule nicht die gleiche zu sein braucht
wie in der anderen Haupt- oder Hilfsspule. Weiterhin werden beide, die Haupt- und
Hilfsspulen, vorzugsweise symmetrisch um den Mittelpunkt des Spulensystems angeordnet.
Unter diesen Bedingungen wird die Empfindlichkeit des Zweispulensystems mit den
Spulen 15 und 28 die gleiche sein wie die Empfindlichkeit des Zweispulensystems
mit den Spulen I7 und 27. Die Empfindlichlceitskurve für das ganze System setzt
sich zusammen aus den verschiedenen Empfindlichkeiturven der vereinigten vier Zweispulensysteme.
Durch geeignete Wahl der Abstände zwischen den Spulen und ihrer Gesamtflächen in
der in Verbindung mit den Fig. 2 und 4 zuvor edargelegten Weise kann eine Empfindlichkeitskurve
der gewünschten Form erhalten werden.
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Da die Hilfsspulen in Gegenschaltung zu den Hauptspulen wirksam sind,
wird die gegenseitige Induktanz des Systems gleichfalls verringert. Dies ist wünschenswert,
da sie die induktive Komponente der elektromotorischen Kraft in den Empfangsgruppen
von Spulen herabmindert. Die gegenseitige Induktanz wird auch verringert, wenn die
Hilfsspulen außerhalb der Hauptspulen liegen, mehr als wenn sie zwischen diesen
liegen. Eine solche Anordnung wird die Gesamtlänge des Spulensystems zwar etwas
vergrößern, jedoch hat sie für bestimmte besondere Zweclce, wie das Messen von dünnen
Schichten beispielsweise, gewisse Vorteile.
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Wie im Fall der zuvor erörterten Spulensysteme kann das Spulensystem
der Fig. 4A für eine gegenseitige Induktanz etwa vom Wert Null eingerichtet werden,
indem die Abstände und die Gesamtflächen für die verschiedenen Spulen so gewählt
werden, daß die Gleichung (I) erfüllt wird.
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Es ist bei einem Mehrspulensystem wider in Fig. 4A dargestellten
Art festgestellt worden, daß es eine untere Grenze für den Abstand zwischen
den
Hilfsspulen gibt, an der eine gute Verringerung der Beeinflussung über einen gegebenen
seitlichen Bereich erhalten werden kann, wenn manl die gegenseitige Induktanz zwischen
den Sende- und Empfangsgruppen im wesentlichen auf Null hält. Diese untere Grenze
wird erreicht, wenn der Abstand der Hilfsspulen ungefähr o,I72 der Entfernung zwischen
den Hauptspulen beträgt. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4A sind die Spulen 27
und 28 um ein Stück getrennt dargestellt, das etwa o,I72.des Abstandes zwischen
den Spulen 15 und I7 beträgt, und sind in gleichen Abständen auf gegenüberliegenden
Seiten vom Mittelpunkt des Spulensystems angeordnet.
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Die Abstände der Hilfsspulen von dem Mittelpunkt des Spulensystems
können von der unteren Grenze bis etwa 0,25 D aus Konstrul:tionsgründen reichen.
In diesem Bereich bleibt die benötigte Windungszahl für die Hilfsspulen, um die
Gleichung (I) zu erfüllen, im wesentlichen klein. Wenn der Abstand zwischen den
Hilfsspulen auf etwa 0,25 des Abstandes zwischen den Hauptspulen vergrößert wird,
kann die Windungszahl auf den Hilfsspulen bis zu 3 O/o der Windungszahlen der Hauptspulen
betragen und noch die Gleichung (I) erfüllen.
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Die seitliche Empfindlichkeit eines Spulensystems der in Fig. 4A
dargestellten Art, das so eingerichtet ist, daß es die Gleichung (1) erfüllt, entspricht
im wesentlichen der Kurve 31 in Fig. 5 A.
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Bei der Kurve 31 hatte die Hauptspule 15 und die Hauptspule I7 die
gleiche Windungszahl, während die Windungszahl auf jeder der Hilfsspulen. 27 und
218 etwa 6,4 O/o der Windungszahl auf den Hauptspulen betrug. Aus der Kurve 3I geht
hervor, daß die Empfindlichkeit des Systems vernachlässigbar ist vom Nullpunkt bis
etwa o,o6 D und bei etwa 0,42 D Null ist, wo'hingegen die Kurve eine negative Schleife
von verhältnismäßig geringer Amplitude zwischen o,o6 D und 0,42 D besitzt.
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Es wurde festgestellt, daß die Größe der negativen Schleife 30I dadurch
verringert werden kann, daß man die Windungszahl auf den Hilfsspulen 27 und 28 etwas
verringert. Wenn z. B. die Windungszahlen auf den Spulen 27 und 2'8 mit 5, 4,5 und
4,26 ovo der Windungszahl auf den Hauptspulen gewählt werden, werden entsprechend
die Empfindlichkeitskurven 30A, 30 und 29 erhalten. Wie am besten aus Fig. 5 B hervorgeht,
die eine Vergrößerung des Teiles der graphischen Darstellung der Fig. 5 A nahe dem
Nullpunkt darstellt, verursacht die Verringerung der Windungszahl auf den Hilfsspulen
unter 6,4 O/o, dem Wert, bei dem die Gleichung (I) erfüllt wird, die Empfindlichkeitskurve
anfänglich mehr und mehr positiv zu laufen, bevor sie die negative Schleife bildet.
Da weiterhin die Amplitude der positiven Schleife zunimmt, nimmt die Amplitude der
negativen Schleife ab, bis für die Kurve 30 die Amplituden gering und nahezu gleich
sind. Es ist einleuchtend, daß ein System, bei dem die Windungszahl auf den Hilfsspulen
4 bis 5 O/o der Windungszahl auf den Hauptspulen beträgt, eine sehr niedrige Empfindlichkeit
zwischen dem Nullpunkt und einer gegebenen seitlichen Entfernung haben wird. In
solchen Fällen wird die gegenseitige Induktanz nicht Null sein. Indessen wird sie
gering sein und kann gewöhnlich hingenommen werden.
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Die Hilfsspulen können entweder innerhalb oder außerhalb des Intervalls
zwischen den beiden Hauptspulen angeordnet werden. Da es indessen wüns chenswert
ist, die Gesamtlänge des Spulensystems auf einem Minimum zu halten, werden die Hilfsspulen
vorzugsweise zwischen den Hauptspulen angeordnet.
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Es gibt nun zwei Möglichkeiten für die Wahl der Windungszahlen auf
den Hilfsspulen, die die Gleichung (I) erfüllen, in der der Abstand der Hilfsspulen
größer ist als das o,I72fache des Abstandes zwischen den Hauptspulen. Um die Empfindlichkeit
des Spulensystems auf das durch die Wirkung der Hilfsspulen empfangene Signal zu
verringern, wird die kleinere Anzahl an Wicklungen. vorgezogen.
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Für .den Fall beispielsweise, wo die Entfernung der inneren Hilfsspulen
das o,2fache jeder der Hauptspulen beträgt, kann die Anzahl Windungen auf den Hauptspulen
entweder etwa 3,8 oder 2I,2 O/o der Windungszahl auf den Hauptspulen zur Erfüllung
der Gleichung (I) betragen. Die größere Anzahl an Windungen beeinflußt jedoch erheblich
den Verlauf .der Empfindlichkeitskurve 6o (Fig. 6) für die seitliche Untersuchung.
Die Empfindlichkeitskurve 6I (Fig. 6) bei der geringeren Windungszahl wird gewöhnlich
vorgezogen.
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Bei einem typischen Beispiel eines symmetrischen Vierspulensystems
der in Fig. 4A dargestellten Art mit vernachlässigbarer gegenseitiger Induktanz
zwischen den Sende- und Empfangsgruppen können die Spulen 15, I7, 27 und 28 kurze,
einlagige Solenoide sein, die auf einen Kunststoffkern von etwa 10 cm im Durchmesser
aufgewunden sind. Die Mittelpunkte der kurzen Solenoide 15 und I7 können 75 cm voneinander
liegen, und die Spulen können jede 40 Windungen aufweisen. Die Spulen 27 und 28
können etwa I3,5 cm voneinander liegen und jede zwei Windungen aufweisen, die zentrisch
zum Mittelpunkt zwischen den Spulen 15 und I7 liegen, wobei die Spule 28 der Spule
15 am nächsten liegt. Die Spulen 15 und 27 und die Spulen 17 und 28 sind in Gegenschaltung
miteinander verbunden.
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Das äußere Empfindlichkeitsfeld eines Spulensystems gemäß Fig. qA
ist symmetrisch. Eine solche Symmetrie ist im allgemeinen bei Meßvorgängen wünschenswert,
wo darauf Wert gelegt wird, genauere Anzeigen über die Lagen der Grenzen der Schichten
zu erhalten.
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Spulensysteme mit verringerter seitlicher Empfindlichkeit gegenüber
weiter entfernt liegenden Materialien un'dEinengung der seitlichen Unter&uchungszone
Die Weite der Schicht, auf die der größere Teil der Beeinflussung zurückzuführen
ist, kann gemäß der Erfindung dadurch eingeengt werden, daß das System für eine
verringerte Empfindlichkeit gegenüber Materialien ausgebildet wird, die seitlich
über
die betreffende Zone hinaus entfernt liegen. Eine weitere Einengung
der interessierenden Zone kann dadurch erfolgen, daß man auch die Empfindlichkeit
des Systems gegenüber Materialien verringert, die in einer die Induktionsmeßgeräte
unmittelbar umgebenden Zone liegen.
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Zuvor ist angegeben worden, daß eine verringerte Empfindlichkeit
gegenüber Materialien in der Nähe des Bohrlochs dadurch erzielt werden kann, daß
die Beeinflussungen eines Hauptzweispulensystems und zumindest eines Hilfszweispulensystems
in Gegenschaltung vereinigt werden, wobei die Systeme so abzustimmen wären, daß
die Spitzenempfindlichkeit des letzteren in einem geringeren seitlichen Abstand
als die Spitzenempfindlichkeit des ersteren auftritt.
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Eine verringerte seitliche Empfindlichkeit gegenüber Materialien,
die verhältnismäßig weit von der Bohrlochachse entfernt liegen, kann gemäß der Erfindung
dadurch erzielt werden, daß ein ähnliches Mehrspulensystem verwandt wird, bei dem
jedoch die Empfindlichkeitsspitze eines Hilfszweispulensystems in einem größeren
seitlichen Abstand auftritt als die Empfindlichkeitsspitze des Hauptspulensystems.
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Ein Meßsystem, das eine verringerte Empfindlichkeit in einer das
Meßgerät unmittelbar umgebenden Zone und in seitlichen Entfernungen jenseits der
Untersuchungszone besitzt, ist in Fig. 7 gezeigt. Es besitzt beispielsweise ein
Hauptzweispulensystem mit einer Sendespule 15 und der Empfangsspule I7 sowie zwei
Hilfszweispulensysteme mit der Sendespule 25 und der Empfangsspule I7 sowie der
Sendespule24 und der Empfangsspule I7.
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Der Teil des Systems mit den Spulen I5, 24 und I7 ist, wie es zuvor
in Verbindung mit Fig. 2 erläutert- ist, ausgebildet und besitzt eine verringerte
Empfindlichkeit über eine Zone, die vom Ursprung bis zu einer gegebenen seitlichen
Entfernung reicht.
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Wenn das System für eine gegenseitige Induktanz vom Wert Null eingerichtet
ist, ist die Empfindlichkeit dieses Teiles des Kreises im wesentlichen durch die
Kurve 2Ia in Fig. 8 angezeigt.
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Das Zweispulensystem mit der Sendespule 25 und ,der Empfangsspule
17 ist für größte Empfindlichkeit in einer seitlichen Entfernung jenseits der Spitze
der Empfindlichkeitskurve 221 des Hauptzweispulensystems ausgebildet. Bei der in
Fig. 7 dargestellten typischen Ausführungsform ist die Spule 25 in einem Abstand
von etwa 4 D von der Empfangsspule I7 vorzugsweise auf der gleichen Seite der Spule
I7 wie die Spule 15 angeordnet, um die Gesamtlänge des Systems zu verringern, und
ihre Gesamtfläche ist ausreichend gemacht, um die gewünschte Verringerung in der
Empfindlichkeit jenseits der Spitze der Kurve 22 hervorzurufen.
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Die Empfindlichkeit des Zweispulensystems mit den Spulen 25 und I7
ist durch die Kurve68 gegeben, die unter der Abszissenachse liegt, da die Sendespulen
15 und 25 in Gegenschaltung miteinander verbunden sind. Die Kurve für das ganze
System ist in Fig. 8 mit 26 bezeichnet und stellt die algebraische Summe der einzelnen
Empfindlichkeitskurven für die drei Zweispulensysteme in der Kombination gemäß Fig.
7 dar.
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Wenn eine gegenseitige Induktanz vom Wert Null erwünscht ist, wäre
das Spulensystem gemäß Fig. 7 so einzurichten, daß es der Gleichung (I) genügt.
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Auch bei der Ausbildung für eine verringerte Empfindlichkeit in verhältnismäßig
großen Entfernungen von dem Bohrloch, d. h. Entfernungen größer als 2 D beispielsweise,
ist es wünschenswert, daß eine der folgenden Gleichungen erfüllt wird:
worin St und Sr die Gesamtflächen der Sende- und Empfangsspulen sind und die Zeichen
die Polaritäten der Windungen wie zuvor kennzeichnen.
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Gleichungen'(4) und (5) können unabhängig oder gleichzeitig angewandt
werden, wenn es eine Mehrzahl von Sende- und Empfangsspulen gibt.
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Bei Spulensystemen, bei denen jede Spule die gleiche Fläche für eine
einzige Windung einnimmt, kann die Gleichung (4) auch wie folgt ausgedrückt werden:
Für ein Spulensystem, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, mit koaxialen Spulen mit der
gleichen Fläche für eine einzige Windung und den angegebenen Spulenabständen kann
der Nachweis erbracht werden, daß die Gleichungen (I) und (6) erfüllt werden, wenn
die Spule 24 ein Neuntel weniger Windungen als die Spule 15 und die Spule 25 acht
Neuntel weniger Windungen als die Spule 15 besitzt. Die negativen Zeichen geben
an, daß die Hilfsspulen in Gegenschaltung mit der Spule 15 verbunden sind.
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Die Kurve 26 in Fig. 8 entspricht einem Vierspulensystem der in Fig.
7 dargestellten Art, das wie vorher angegeben ausgebildet ist. Es wurde festgestellt,
daß die Empfindlichkeitsresultierende, d. h. die sich für den Teil des Spulensystems
mit den Spulen I5, 2+ und I7 in der benachbarten Gegend der Achse des Spulensystems
ergebende Empfindlichkeit, praktisch durch die Hinzufügung der Hilfsspule 25 bei
der benutzten Entfernung unverändert blieb. Aus diesem Grunde sind die Kurven 21a
und 26 für einen seitlichen Bereich von etwa o,2 D praktisch gleich.
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Es ist festzustellen, daß die Kurve 26 eine wesentliche Verringerung
in der Empfindlichkeit bei seitlichen Entfernungen j enseits ihres Maximums. im
Vergleich zu dem entsprechenden Abfallen der Kurve2Ia, die die Empfindlichkeit des
Systems der Fig. 7 mit fortgelassener Spule 25 zeigt, zeigt. Eine typische Empfindlichkeitskurve
22 für ein gewöhnliches Zweispulensystem, bestehend aus den Spulen 15 und I7 mit
einem Gesamtabstand von 2 D, ist gleichfalls in Fig. 8 durch vergleichsweise Gegenüberstellung
gezeigt.
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Der Maximalhereich in der Empfindlichkeit der Kurve 26 erstreckt
sich über eine seitliche Ent-
fernung von etwa 1/2 D bis 2 D im
AT1ergleich zu dem Bereich der Kurve 2Ia, der sich von 1/2 D bis fast 3 D erstreckt.
Bei einem leitenden Medium wird daher das in Fig. 7 gezeigte System einen mehr lokalisierten
Aufschluß ergeben als das System der Fig. 7 unter Fortfall der Spule 25 oder ein
übliches Zweispulensystem.
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Wenn eine verringerte Empfindlichkeit in einer Zone nahe dem Meßgerät
nicht benötigt wird, wie dies in einem trocknen oder ölenthaltenden Bohrloch beispielsweise
der Fall sein kann, kann die Spule 24 in Fortfall kommen, in welchem Fall die Spule
25 eine niedrige Empfindlichkeit in verhältnu'mäßig großen Entfernungen vom Meßgerät
gewährleisten wird.
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Bei einem typischen Ausführungsbeispiel eines Vierspulensystems der
in Fig. 7 dargestellten Art können die Spulen I5, I7, 24 und 25 kurze, einlagige
Solenoide sein, die auf einen Kunststoffkern von ungefähr 10 cm im Durchmesser aufgewunden
sind. Die Mittelpunkte der kurzen Solenoide 15 und I7 können 75 cm auseinanderliegen,
und die Spulen können jede 45 Windungen besitzen. Die Spule I7 kann jedoch auch
mehr oder weniger Windungen als die Spule 15 besitzen. Die Spule sß kann fünf Windungen
haben und sollte halbwegs zwischen den Spulen 15 und I7 angeordnet werden. Die Spule
25 kann 40 Windungen besitzen und liegt von der Spule 15 um ein Stück entfernt,
das gleich ist dem Abstand zwischen den Spulen 15 und I7. Die Spulen 24 und 25 sind
in Gegenschaltung mit der Spule 15 verbunden.
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Spulensysteme für Längseinstellung Eine verbesserte Empfindlichkeit
gegenüber verhältnismäßig dünnen Schichten, d. h. Schichten in der Größenordnung
eines Mehrfachen des Bohrlochdurchmessers, kann erfindungsgemäß dadurch erzielt
werden, daß mehrere Spulensysteme in der Weise zusammengeschaltet werden, daß der
Empfindlichkeitsbereich auf die Schichten eingestellt wird, die in einer Gegend
zwischen zwei waagerechten Ebenen liegen, welche im Verhältnis zum Mittelpunkt des
Spulensystems symmetrisch verlaufen und durch einen bestimmten Abstand voneinander
getrennt sind. Die Längsempfindlichkeit des Spulensystems sei hier als die Widerstandskomponente
der Beeinflussung des Systems auf eine quer sich erstreckende (gewöhnlich horizontale)
Materialschicht einheitlicher Stärke und einheitlicher Leitfähigkeit in Funktion
des Abstandes in der Längsrichtung (in der Senkrechten) zwischen jener Schicht und
dem Mittelpunkt des Systems definiert.
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Eine typische Längsempfindlichkeitskurve 43 für ein gewöhnliches
Zweispuleninduktionsmeßsystem ist in Fig. 10. gezeigt, in der die y-Achse die reintive
Empfindlichkeit und die z-Achse den Abstand der Spulen vom Mittelpunkt des Systems
darstellen.
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Es ist festzustellen, daß die Kurve43 nicht. steil von ihrem Maximum
auf einen Minimalwert herabfällt, sondern dies über eine verhältnismäßig lange senkrechte
Entfernung allmählich der Fall ist.
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Ein System dieser Art ist daher nicht gut für Messungen verhältnismäßig
dünner Schichten geeignet, da es dann erwünscht ist, daß die Empfindlichkeitscharakteristik
von ihrem Maximum auf eine niedrige, vernachlässigbare Amplitude auf einer kurzen
senkrechten Entfernung herabfällt.
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Die erwünschten Charakteristika können dadurch erreicht werden, daß
symmetrische Ausbildungen von Hilfs zweispulensystemen Anwendung finden, wcdurch
die Kurve der Längsempfindlichkeit im ganzen die Ordinatenachse in zwei Punkten
ob erhalb und in zwei Punkten unterhalb der Einstellspulen schneidet. Dies wird,
wie es in Fig. g gezeigt ist, dadurch erreicht, daß man oberhalb der Hauptsendespule
15 eine Hilfseinstellsendespule 3.7 entgegengesetzter Windungspolarität anordnet,
die eine geringere Gesamtfläche (das Produkt aus der von einer Windung durchschnittlich
eingenommenen Fläche und der Zahl an Windungen) aufweist als die Spule 15, und weiterhin
unterhalb der Empfangsspule I7 eine Einstellempfangsspule 38 mit entgegengesetzter
Windungspolarität als die Spule 17 und einer Gesamtfläche gleich derjenigen der
Spule 37 vorsieht. Die Spulen 15 und I7 haben in diesem besonderen System gleiche
Flächen. Indes ist es wichtig, hervorzuheben, daß die Windungszahl in allen Spulen
einer Gruppe zugleich um denselben proportionalen Betrag ohne Änderung der Untersuchungseigenschaften
des Spulensystems geändert werden kann. Vorzugsweise wird der Gesamtabstand zwischen
den Hauptspulen 15 und I7 so gewählt, daß er nicht mehr als etwa zwei Drittel der
Stärke der dünnsten Schicht, die gemessen werden soll, beträgt, für die ein Näherungswert
für die wirkliche Leitfähigkeit erhalten werden soll.
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Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, mit einem Verhältnis 3
: 2 für die Flächen der Hauptspule und der Einstellspule derselben Kategorie (Sender
oder Empfänger) zu beginnen, wobei jede Einstellspule in Gegenschaltung mit ihrer
Hauptspule verbunden wird. Weiterhin kann der Abstand zwischen jeder Einstellspule
und ihrer Hauptspule gleich dem Abstand 2 D zwischen den Hauptspulen gewählt werden.
Bei diesem Abstand schneidet die Längsempfindlichkeitskurve die Achse der Nullempfindlichkeit
in einem Punkt in der Nähe der Einstellspulen, zu den Hauptspulen hin verschoben,
und weiterhin in einem Punkt in etwa doppelter Entfernung von dem Mittelpunkt des
Spulensystems, wohingegen die Amplitude der Empfindlichkeitskurve an Punkten oberhalb
und unterhalb der Einstellspulen im Vergleich zu der höchsten Empfindlichkeit auf
einem sehr niedrigen Wert gehalten wird.
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Die Spulen 38 und 37 werden in bekannter Weise so einreguliert, daß
die kleinen Flächen der vorletzten Schleifen, die negativ sind (negativ in dem Sinne,
daß das leitende Material in der Gegend quer. zu seiner Längsausdehnung eine Beeinflussung
von entgegengesetztem Zeichen gegenüber dem der Hauptfläche ergibt),etwas größer
sind als diejenigen der letzten positiven Schleifen, die durch die Empfindlichkeitskurve
gebildet werden, wenn sich die
Kurve ihrer Achse der Nullempfindlichkeit
in weiten Abständen nähert. Unter diesen Bedingungen wird die durchschnittliche
Beeinflussung des Systems seitens der Schichten oberhalb und unterhalb des Systems
auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert verringert. Indessen wurde festgestellt,
daß die gegenseitige Induktanz zwischen der Sende- und Empfangsgruppe der Spulen
nicht Null ist.
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Um die gegenseitige Induktanz im wesentlichen auf Null zu bringen
und/oder die seitliche Empfindlichkeit des Systems gegenüber Materialien zu verringern,
die verhältnismäßig nahe an seiner Achse liegen, ist eine Hilfskompens ationssendespule
40 zwischen den Empfangsspulen 17 und 38 hinzugesetzt, während eine Hilfskompensationsempfangsspule
41 von der gleichen Gesamtfläche wie die Spule 40 zwischen den Sendespulen 15 und
37 angeordnet ist. Die Kompensationsspulen 40 und 41 sind symmetrisch zum Mittelpunkt
des Spulensystems angeordnet, und die Polaritäten ihrer Windungen sind die gleichen
wie die der Hilfsspulen 37 und 38. Vorzugsweise sind die Kompensationsspuleu 40
und 41 in einem Abstand von etwa o,8 D von ihren entsprechenden Hauptspulen anzuordnen,
wobei 2 D der Gesamtabstand zwischen den Hauptspulen ist. In der Praxis brauchen
die Spulen 40 und 41 nur sehr wenige Windungen aufzuweisen, um die verbleibende
gegenseitige Induktanz zwischen den Gruppen von Spulen aufzuheben, wenn es erwünscht
ist. Das Vorhandensein der Kompensationsspulen wird jetzt etwas die Lagen und Flächen
der negativen Schleifen des vorerwähnten Vierspulensystems ändern, so daß die Flächen
der äußeren Schleifenpaare mehr angeglichen werden, wobei gleichzeitig die wirksame
Fläche dieser Schleifen auf ein Minimum zurückgeht.
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Die Einstellung der Einstell- und Kompensationsspulen kann fortgeführt
werden, bis eine günstigste Beeinflussung erhalten wird, wobei dieGleichung (I)
noch im wesentlichen erfüllt sein muß. Die Einstellung auf günstigste Beeinflussung
ist der Fall, wenn die Flächen der Schleifen 5I, 52, 53 und 54 der Empfindlichkeitskurve
um ihre Achse der Nullempfindlichkeit klein und im wesentlichen gleich sind.
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Eine Richtlinie für die Konstruktion von Spulensystemen zum Einstellen
oder zur Lokalis1ierung der Empfindlichkeit entlang der Längsachse ist, die zwei
Endpaare von Schleifen oberhalb und unterhalb des Spulensystems mit kleinen, im
wesentlichen gleichen Flächen auszurüsten. Wo dies der Fall ist, heben die Beeinflussungen
durch das Material in den Querregionen, die beispielsweise den Schleifen 51 und
52 der Fig. 10 entsprechen, im wesentlichen die Beeinflussungen aus dem Material
in den Querregionen auf, die den Schleifen 53 und 54 entsprechen. Bei dieser Anordnung
bildet die Beeinflussung seitens Materials in der durch die größte Empfindlichkeit
des Spulensystems abgedeckten Querzone den entscheidenden Anteil an der Gesamtbeeinflussung.
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In Fig. io ist eine Längsempfindlichkeitskurve 39 für ein einstellbares
symmetrisches Sechsspulensystem der in Fig. g dargestellten Art im Gegensatz zu
der Empfindlichkeitskurve 43 für ein übliches Zweispulensystem gezeigt. Wie zuvor
angegeben, ist die Längsempfindlichkeit, die relative Empfindlichkeit, aufgetragen
längs der Ordinatenachse für die Widerstandskomponente der elektromotorischen Kraft,
welche in der Gruppe von Empfangsspulen durch eine Schicht einheitlicher Stärke
und einheitlicher Leitfähigkeithervorgerufen ist, welche in verschiedenen Lagen
längs der senkrechten Achse, vom Mittelpunkt des Spulensystems gesehen, gelegen
sind. Die Kurve 39 ist durch einen steilen Abfall für Schichten oberhalb und unterhalb
der Hauptspulen des Systems gekennzeichnet. Als Ergebnis werden verhältnismäßig
dünne 5 Schichten mit größerer Genauigkeit gemessen, und ihre wirkliche Leitfähigkeit
kann direkt genauer bestimmt werden, als dies mit einem üblichen Zweispulensystem
möglich ist.
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In der Praxis sind natürlich die Amplituden der Beeinflussungen direkt
proportional dem in den Sendespulen fließenden Strom, und Änderungen in der Amplitude
der Beeinflussungen können auf Änderungen des Sendestroms wie auch auf Erhöhung
der in der Empfangsgruppe induzierten elektromotorischen Kraft zurückgehen.
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Der Zweck der Längseinstellung ist es, Induktionsmeßsysteme zu schaffen,
bei denen die Gesamtbeeinflussung durch eine Schicht im wesentlichen proportionjal
der elektrischen Leitfähigkeit jener Schicht ist, und zwar für alle Schichtstärken
herunter bis zur dünnsten meßbaren Schicht. Ein Meßkreis, der darauf geeicht ist,
Leitfähigkeiten in Abhängigkeit der Gesamtbeeinflussung zu messen, wird dann unmittelbar
die Leitfähigkeiten der gewünschten, von einem Bohrloch durchschlagenen durchlässigen
Schichten anzeigen.
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Ein Sechsspuleneinstellsystem der in Fig. g dargestellten Art mit
fast keiner gegenseitigen Induktanz zwischen den Sende- und Empfangsspulensystemgruppen
unter Verwendung kurzer, auf einen Kern aufgewundener Solenoide kann beispielsweise
äußere Spulen 37 und 38 mit je 19 Windungen aufweisen, die 204 cm voneinander entfernt
angeordnet sind. Die inneren Spulen 15 und I7 können je 30 Windungen besitzen und
sind, zentriert auf den Mittelpunkt zwischen den Spulen 37 und 38, 68 cm voneinander
getrennt. Die Spulen 40 und 41 können je eine Windung besitzen und liegen etwa 27
cm jenseits der Spulen I5 und Ii7 vom Mittelpunkt des Systems entfernt. Die Spulen
37, IX5 und 40 sliod; in Serie miteinander verbunden, während die Spulen 37 und'
40 in Gegenschaltung zur Spule 15 liegen.
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Die Spulen 38, 17 und 41 sin1d gleichfalls in in Serie miteinander
veirbiunden, während die Spulen 38 und 9I in Gegenschaltung zur Spule I7 liegen.
Da viele Bohrlöcher eine verhältnismäßig leitende Flüs.sigkeit enithralten,, die
in eine die Apparate unmittelbar umgebende Zone (der Schichten eindringen kann,
ist das System der Filg. g dazu vorgesehe'n, in jener Zone eine verringerte Empfindlichkeit
zu haben.
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Dies wird durch eine geeignete Verbindung der verschiedenen Zweispulensysteme
erreicht, wie dies vorher angegeben ist.
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Es sei noch erwähnt, daß alle Spulen in dem Sechsspulensystem symmetrisch
um den Mittelpunkt des Systems angeordnet sind, so daß, wenn das System um seinen
Mittelpunkt und um 180° gedreht würde, Spulen einer Kategorie durch Spulen einer
anderen Kategorie mit den gleichen reliativen Polaritäten ersetzt würden. Es können
jedoch auch andere symmetrische Spulenanordnungen im Rahmen der Erfindung Verwendung
finden. Beispielsweise ist es möglich, Systeme mit einer im Mittelpunkt gelegenen
Spule zu entwickeln, um die andere Spulen symmetrisch angeordnet sind, welche Paare
von Spulen der gleichen oder verschiedener Kategorien enthalten können. Für ein
symmetrisches Empfindlichkeitsfeldbild müssen solche Systeme eine ungleiche Anzahl
von Spulen besitzen, und zumindest würden sieben Spulen benötigt werden, wenn die
Gleichung (I) ebenfalls erfüllt werden soll.
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Spulensysteme mit einer Beeinflussung, ,die eine Funktion der Inhomogenität
der umgebenden Materialien ist Ein Bohrlochmeßsystem, das in Funktion der Inhomogenität
des umgebenden Materials, und zwar in einer Richtung, die quer zur Längsachse des
Apparats verläuft, beeinflußt wird, kann erfindungsgemäß dadurch geschaffen werden,
diaß zumi,ndlest zwei Zweispulensysteme vereinigt werden, die jedes eine andere
seitliche Empfindlichkeitscharakteristik haben, um eine resultierende seitliche
Empfindlichkeitscharakteristik zu gewinnen, die bei einem gegebenen seitlichen Abstand
von der Längsachse des Apparats einen Nullwert ergibt und positive und negative
Schleifen aufweist, deren darunterliegende Flächen im wesentlichen gleich sind.
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Wenn das umgebende Medium homogen ist, sind die Beeinflussungen aus
jenen Gegenden des Mediums entsprechend den positiven und negativen Schleifen der
seitlichen Empfindlichkeitscharakteristik gleich und entgegengesetzt, so daß die
Gesamtbeeinflussung Ider Einrichtung Null ist. Bei einem inhomogenen Medium dagegen
sind die Beeinflussungen aus jenen Gegenden entsprechend den positiven und negativen
Schleifen der seitlichen Empfindlichkeitskurve nicht gleich. Daher wird die Gesamtbeeinflussung
in einem solchen Fall nicht mehr Null sein, sondern wird einen Wert haben, der von
der Art der Inhomogenität abhängig ist.
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Um die gewünschte differentielle Empfindlichkeitscharakteristik bei
einem Induktionsmeßsystem sicher zu erhalten, wurde festgestellt, daß folgende Bedingungen
eingehalten werden müssen: a) das Meßsystem muß zumindest zwei Sende-Empfangs-Spulen-Systeme
in Kombination aufweisen; b) die seitlichen Empfindlichkeitskurven für diese beiden
Systeme dürfen nicht die gleichen sein, d. h. ihre Spitzen dürfen nicht in ,dem
glei1chen seitlichen Abstand von 1der Achse des Meßsystems auftreten; c) die nachfolgende
Gleichung muß im wesentlichen erfüllt werden.
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In der Gleichung gelten t und r für alle möglichen Paare von Sende-
und Empfangsspulen; Dt, ist der halbe Abstand zwischen einem Paar von Spulen, St
ist die Gesamtfläche einer Sendespule und Sr ist die Gesamtfläche einer Empfangsspule.
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So ist also der Zähler das Produkt aus den Gesamtflächen eines Paares
von Spulen und der Nenner die Hälfte ihres Abstandes.
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Die Zeichen in dem Zähler geben die Polarität der Windungen jeder
Spule wieder. Wenn eine bestimmte Spule beispielsweise in dem Sendesystem positiv
angenommen ist, dann werden alle anderen Sendespulen, die in Reihe mit jener Spule
verbunden sind, gleichfalls als positiv angesehen, während jene Sendespulen, die
in Gegenschaltung mit jener Spule verbunden sind, als negativ zu nehmen sind. Eine
ähnliche Beziehung gilt für Spulen in dem Empfangssystem, wenn mehr als eine Empfangsspule
benutzt wird.
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Wenn die Spulen Solenoide von gleichem Radius sind und längs einer
gemeinsamen Achse liegen, kann die Gleichung (7) vereinfacht werden:
worin Nt und Nr die Windungszahlen der Sende-und Empfangsspulen des jeweils betrachteten
Paares sind. Die Gleichung (8) ist besonders für Spulensysteme gemäß der Erfindung
passend, da in der Praxis die Spulen gewöhnlich kurze Solenoide von gleichem Radius,
die im Längsabstand voneinander angeordnet und an dem Gehäuse 18 befestigt sind,
sein werden.
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Eine typische Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt,
wo die Teile gleicher Funktion gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 2 besitzen.. Es
läßt sich, leicht der Nachweis erbringen, daß das in Fig. 11 gezeigte System mit
koaxialen Spulen von gleichem Durchmesser die drei Bedingungen a, b und c erfüllen
wird, wenn beispielsweise die Hilfssendespule 20 halbwegs zwischen den Spulen 15
und I7 angeordnet ist und die halbe Anzahl Windungen ,der Hauptsendespule I5 besitzt.
Da die Spitze der Empfindlichkeitskurve für ein Zweispulen-Sende-Empfangs-System
bei etwa 0,9 des halben Abstandes zwischen den beiden Spulen auftritt, werden die
Spitzen für die zwei Zweispulensysteme in Fig. 3 dann bei etwa 0,45 D und o,g D
liegen, worin D den halben Abstand zwischen den Hauptspulen r5 und I7 bedeutet.
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Eine typische seitliche Empfindlichkeitskurve für das Spulensystem
der Fig. 11, das so ausgebildet ist, daß es den drei Bedingungen a, b und c genügt,
Ist 1iin Fig. I2 dargestellt, in der die Abszisse x der seitlichen Empfindlichkeitskurve
den seitlichen Abständen von der Längsachse des Spulensystems ent-
sprechend'
Iden verschiedenen für die zylindrische Hülse angenommenen Radien entspricht, und
zwar gemessen in Teilen von D, diesem hMben Abstand zwischen den Spulen 15 und I7,
während' die Ordinaten y die relativen Empfindlichkeitswerte der Kombination bei
den entsprechenden Hülsenradien sind. Es ist ersichtlich, daß die Empfindlichkeitskurve
49 eine positive Schleife 50 verhältnismäßig großer Amplitude bestizt, bei 5/4 D
Null ist und eine negative Schleife 51 von kleinerer Amplitude besitzt.
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Da die othige Gleichung (7) erfüllt wird, ist die Fläche unterhalb
der positiven Schleife 50 etwa gleich der Fläche oberhalb der negativen Schleife
51.
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Demgemäß wird, wenn das Induktionsmeßsystem in ein homogenes Medium
gebracht wird, seine Be einflussung Null sein. Auf der anderen Seite, wenn das System
in ein Medium gebracht wird, welches in einer seitlichen Richtung des Systems inhomogen
ist, wird die Beeinflussung des letzteren nicht länger Null sein, sondern einen
Wert besitzen, der von der Natur der Inhomogenität abhängig ist. Das System ist
daher speziell für die Untersuchung der möglichen Eindringung der üblich vorhandenen
Bohrlochspülung in die Erdschichten geeignet.
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Mit dem in Fig. 11 gezeigten System durchgeführte Messungen sind
natürlich nicht symmetrisch. Dieses System kann jedoch durch Verwendung zumindest
eines zusätzlichen Zweispulensystems symmetrisch gemacht werden, wie es in Verbindung
mit Fig. 4A gezeigt ist. Durch eine entsprechende Kombination der zuvor beschriebenen
Mehrspulensysteme können Differentialspulensysteme gebaut werden, die auch dadurch
eine vernachlässigbare seitliche Empfindlichkeit über einen gewünschten Bereich
gekennzeichnet sind.
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Bei allen zuvor beschriebenen Induktionsmeßsystemen sind alle Sendespulen
in Reihe miteinander verbunden, so daß derselbe Strom durch sie hindurchgeht. In
ähnlicher Weise sind alle Empfangsspulen verbunden, so daß die Gesamtbeeinflussung
die algebraische Summe der Beeinflussungen der verschiedenen Empfangsspulen ist.
Wenngleich auch Reihenverbindungen vorgezogen werden, sind diese nicht notwendig.
So kann jede Sendespule oder eine Untergruppe von Sendespulen beispielsweise Strom
von verschiedener Stärke erhalten wie die anderen Sendespulen einer Gruppe. Wo die's
der Fall ist, gelten die Gleichungen (1) und (2) wie zuvor, jedoch muß die Zahl
der Amperewindungen einer Spule an Steile d;er Windungszahl allein eingeführt werden
Es ist weiter selbstverständlich, daß das Prinzip der Reziprozität Anwendung finden
kann, so daß Sendespulengruppen und Empfangsspulengruppen in den verschiedenen erläuterten
Induktionsmeßsystemen ohne Änderung der erhaltenen Ergebnisse vertauscht werden
können. Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen sind demzufolge lediglich
als Ausführungsbeispiels des grundsätzlichen Erfindungsgedankens zu werten.