DE932029C

DE932029C - Verfahren zur Bodenuntersuchung durch Messung der AEnderung der elektrischen Eigenschaften der von einem Bohrloch durchdrungenen Erdschichten

Info

Publication number: DE932029C
Application number: DES23377A
Authority: DE
Inventors: Robert Andrew Broding; Carl William Zimmerman
Original assignee: Schlumberger Overseas SA
Current assignee: Schlumberger Overseas SA
Priority date: 1950-06-03
Filing date: 1951-06-03
Publication date: 1955-08-22
Also published as: US2640869A

Description

Verfahren zur Bodenuntersuchung durch Messung der Änderung der elektrischen Eigenschaften der von einem Bohrloch durchdrungenen Erdschichten Die Erfindung bezieht sich auf geophysikalische IJntersuchungen und insbesondere auf die gleichzeitige Bestimmung zweier kennzeichnender Werte, wie elektrische Leitfähigkeit und magnetische Aufnahmefähigkeit von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchdrungen werden.
Bei der Untersuchung von Bohrlöchern können t>ei der Messung der einzelnen physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Bodenschichten 'L'eränderungen festgestellt werden. Es gibt verschiedene bekannte Systeme, um solche Messungen auszuführen. In der USA.-Patentschrift 2 220 070 ist ein Verfahren und ein System enthalten, um I'er;inderungen im elektrischen Widerstand und in der magnetischen Aufnahmefähigkeit der Erdformation zu messen. Dieses System benutzt eine Mehrzahl von Untersuchungsspulen. Von einer ersten Spule wird ein Feld erzeugt, das von einer zweiten und dritten Spule aufgenommen wird, oder umgekehrt. Das ausgesandte und an der Oberfläche gemessene Signal ist eine Funktion der Werte des Widerstandes und der Aufnahmefähigkeit an einer bestimmten Stelle.
Bisher wurde nicht erkannt, daß es möglich ist, zwei völlig verschiedene Eigenschaften der umgebenden Formationen getrennt aber gleichzeitig zu messen. Es wurde gefunden, daß eine Spule die in einem Bohrloch angeordnet und mit Wechsel- strom gespeist wird, als Primärwicklung eines Transformators mit den umgebenden Formationen als Sekundärteil arbeitet. Wie bei einem Transformator werden die Eigenschaften des Sekundärteils, in diesem Falle der umgebenden Formationen, in dem Impedanzwiderstand des Primärteils widergespiegelt. Durch geeignete Stromkreisanordnung können diese Impedanzmerkmale getrennt gemessen werden. Auf diese Weise kann der Widerstand der umgebenden Schichten getrennt von deren induktiven Reaktanz gemessen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Grundsystem für die Ausführung der erwähnten Messungen, gewisse Anordnungen zur elektrischen Abschirmung der Spule im Bohrloch, um Störungen der Messungen durch Flüssigkeiten im Bohrloch od. dgl. zu vermeiden, ferner gewisse Anordnungen zum Temperaturausgleich des Instruments und schließlich eine verbesserte Anordnung, bei der die Spule mit mehr als einer Frequenz von Wechselstrom gespeist wird, um die Meßfähigkeit der Impedanzkomponenten der Spule zu verbessern.
Merkmale der Erfindung Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, gleichzeitig zwei Größen zu messen, die Funktionen verschiedener Eigenschaften von Formationen sind, die von einem Bohrloch durchdrungen werden.
Ein Merkmal besteht ferner darin, ein verbessertes Element für ein Untersuchungssystem vorzusehen, wobei die Formationen elektrisch an ein empfindliches Meß system gekoppelt werden.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, eine abgeschirmte Spule vorzusehen, die eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Meßsystem und der das Bohrloch umgebenden Formation gestattet und eine elektrostatische Kopplung zwischen diesen ausschaltet.
Ein weiteres Merkmal besteht ferner in der Vorsehung eines Untersuchungssystems, bei dem eine Spulenwicklung mit einem Ermittlungsbrückenstromkreis derart gekoppelt ist, daß ein Minimum an elektrostatischer Kopplung mit den Formationen vorliegt und bei dem insbesondere eine elektrostatische Abschirmung für die Spulenwicklung eine elektrostatische Kopplung mit den Formationen verhindert, ohne daß die elektromagnetische Kopplung gestört wird.
Ein Merkmal besteht ferner darin, daß ein System zur Ausschaltung von Fehlern in den Meßwerten durch Temperaturänderungen vorgesehen wird.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, eine verlängerte Untersuchungsspule mit Temperaturausgleich zur elektromagnetischen Untersuchung von Erdformationen vorzusehen.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, eine Brückenschaltung vorzusehen, deren einer Zweig für Änderungen in Formationseigenschaften empfindlich ist und durch einen nebenliegenden Zweig temperaturstabilisiert ist, wobei die verbleibenden Elemente der Brücke für solche Änderungen unempfindlich und unabhängig oder unbeeinflußt von Temperaturänderungen sind.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, ein verbessertes System gemäß den allgemeinen Prinzipien der Erfindung vorzusehen, wobei jedoch elektrische Ströme mit zwei oder mehreren Frequenzen gleichzeitig zur Speisung der Spule dienen.
Allgemeine Beschreibung des Grundsystems Eine Verwirklichung des Systems zur Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält eine Untersuchungseinheit mit einem verlängerten Induktanzwiderstand, der den einen Zweig der Brückenschaltung bildet und eine elektromagnetische Kopplung mit der umgebenden Erdschicht hervorbringt. Ein Ermittlungsstromkreis, der mit der Untersuchungseinheit gekoppelt ist, trennt das Signal der Unbalanz der Brücke in zwei Komponenten und zeichnet diese auf. Der Induktanzwiderstand, der die umgebenden Formationen koppelt, ist lang im Vergleich zum Lochdurchmesser und vorzugsweise von geringem innerem Reluktanzwiderstand und ist bestimmt, eine Unbalanz der Brücke von größtem Wert hervorzubringen, um dadurch Formationen einer Eigenschaft von anderen zu unterscheiden.
Allgemeine Beschrefbung der elektrostatischen Abschirmung Es wurde gefunden, daß beim Einführen eines solchen empfindlichen Elementes in verschiedene Erdschichten Veränderungen in den dielektrischen Eigenschaften der Medien, die neben der Spule liegen, in dieser Impedanzänderungen hervorrufen können, die nicht direkt mit den Widerstands- oder magnetischen Eigenschaften der Formationen zusammenhängen. Wenn beispielsweise ein mit den Formationen elektromagnetisch gekoppeltes Untersuchungssystem aus einem leeren Abschnitt des Bohrlochs in einen verschlammten oder mit Wasser gefüllten Abschnitt eintritt, erzeugt die Anwesenheit des Wassers, das eine hohe Dielektrizitätskonstante hat, einen großen Wechsel in den Eigenschaften der erhaltenen Werte, und dieser Wechsel ist im wesentlichen unabhängig von den Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Formationen. Ferner kann eine Potentialdifferenz zwischen der Spule und der Formation beim Eintritt des Systems in eine bestimmte Formation vorhanden sein, etwa infolge von Ursachen wie tellurische Ströme od. dgl., wobei die Potentialdifferenz verschieden von derjenigen ist, die vorhanden war, als sich die Spule in einer anderen Formation befand.
Der resultierende Stromfluß zu oder von dem Untersuchungssystem kann dann in der Spulenwicklung Spannungen erzeugen, die von den Eigenschaften unabhängig sind, deren Messung gewünscht wird.
Gemäß der Erfindung wird bei einer bevorzugten Ausführungsform ein verlängerter, aus Blechen gebildeter zylindrischer Kern von hoher Permeabilität vorgesehen um den schraubenförmig gewunden ein verlängerier Leiter vorgesehen wird, der beim Stromdurchfluß eine elektromagnetische Kopplung mit den umgebenden Medien erzeugt.
Eine Mehrzahl von Leitern, vorzugsweise wenigstens gleich in der Länge mit den schraubenförmigen Wicklungen, werden gleichmäßig um die Wicklungen herum angeordnet, deren Achsen parallel zur Achse des Kerns liegen. Ein Ringleiter, der um den Kern herum und an einem Ende der schraubenförmigen Wicklungen angeordnet ist, wird elektrisch mit allen verlängerten Leitungen verbunden, um eine elektrostatische Abschirmung für die Spulenwicklungen zu bilden, die eine Erzeugung von nicht aus Formationsänderungen stammenden Signalen in den Wicklungen verhindert, aber die elektromagnetische Kopplung mit den Formationen gestattet.
Gemäß der Erfindung und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derselben wird eine Verbesserung der Systeme für die elektromagnetische Untersuchung von ein Bohrloch umgebenden Formationen vorgesehen, wobei ein Brückenstromkreis mit einer Ausgangsdiagonale durch Wechselstrom gespeist wird, der an die Ausgangsdiagonale angelegt wird. Ein länglicher Kern aus magnetischem Stoff wird mit dem Brückenstromkreis durch das Bohrloch bewegt, wobei sich eine einzige Wicklung auf dem Kern befindet. Eine vorzugsweise in Längsrichtung des Kerns und auf der Außenseite der Peripherie der Wicklung wenigstens in gleicher Länge mit der Axiallänge der Wicklung sich erstreckende Abschirmung ist mit einer Klemme der Ausgangsdiagonale des Brückenstromkreises und mit der Erde verbunden. Änderungen in den dielektrischen Eigenschaften eines die Spule umgebenden Mediums werden wirksam durch Aufrechterhaltung einer leitenden Abschirmung um die Wicklung abgehalten, wobei die Abschirmung im wesentlichen auf dem Potential der Medien gehalten wird, in denen sich die Spule befindet.
Allgemeine Beschreibung des Temperaturausgleichs Beim Einführen eines solchen empfindlichen Systems durch die verschiedenen Erdschichten kommen Temperatursteigungen vor. Da das System für Temperaturänderungen empfindliche elektrische Elemente enthält, sind die erhaltenen UnteruchungsRerte häufig kein wahres Abbild der Formationen, sondern sind zunächst ziemlich durch Temperaturänderungen im Bohrloch beeinflußt, und die Wirkung davon macht sich bei den Komponenten des Untersuchungssystems bemerkbar.
Gemäß der Erfindung und in einer Ausführungsform derselben wird ein magnetisches Untersuchungssystem mit einer länglichen, einen Zweig eines Brückenstromkreises bildenden Spule mit Mitteln versehen, die Änderungen im Widerstand und der Selbstinduktion als Funktion der Temperatur ausschalten. Vorzugsweise wird zusammen mit der länglichen Spule der Bohrlochtemperatur ein temperaturempfindlicher Widerstand ausgesetzt.
Die Spule selbst bildet einen Zweig eines Brückenstromkreises. Der temperaturempfindliche Widerstand ist in einen Nebenzweig der Brücke eingeschaltet, wobei Temperaturänderungen eine gleiche, aber entgegengesetzte Wirkung in den genannten Nebenzweigen erzeugen, wodurch weiterhin die von der Brücke ausgehenden Signale unabhängig von der Temperatur sind und nur noch von den Änderungen in den Formationen abhängen.
Allgemeine Beschreibung der Mehrfrequenzanordnung Bei der Ausführung der Erfindung wird in einer Ausführungsform eine Einrichtung zur induktiven Kopplung in geeigneter Weise in einem Bohrloch aufgehängt, um durch die benachbarten Erdformationen bewegt zu werden. Wechselströme von verschiedener Frequenz werden der Einrichtung zur induktiven Kopplung zugeführt, um eine magnetische Kopplung mit den Erdformationen zu bewirken. Mit Hilfe eines Ermittlungsgerätes für eine Frequenz wird die in Phase liegende Komponente des Wechselstromes gemessen, um eine Anzeige der elektrischen Leitfähigkeit der Erdformationen zu erhalten, während ein zweites Ermittlungsgerät, das nur auf die andere Frequenz anspricht, benutzt wird, um die außer Phase liegende Komponente zu messen und die magnetische Aufnahmefähigkeit der Erdformationen anzuzeigen. Beide Meß vürgänge finden gleichze iig statt, wobei jeder Lagefehler vermieden wird, der sonst im System vorkommen kann, wenn aufeinanderfolgende Messungen in den Erdformationen vorgenommen werden. Bei der Erfindung ist also immer eine lagemäßige Beziehung der beiden Größen, nämlich elektrische Leitfähigkeit und magnetische Aufnahmefähigkeit, im Hinblick auf die Formationen vorhanden, durch die sich das Bohrloch erstreckt.
Gemäß der Erfindung werden diese Messungen der beiden Größenänderungen mit großer Genauigkeit ausgeführt, so daß sie plötzliche lokale Änderungen wiedergeben und dadurch die Unbestimmtheit über die genaue Lage der plötzlichen lokalen Änderung vermindern. Bei dieserEhohen Genauigkeit wird das System durch Verunreinigungen im Bohrloch, wie z. B. kleine Metallstücke, nicht gestört.
Insbesondere werden gemäß der Erfindung Änderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit gemessen und als Funktion der Lage der Meßeinheit längs des Bohrlochs angezeigt. Vorzugsweise ist in einem Zwischenzweig von wenigstens einer ausgleichbaren Schaltung eine Induktanzspule vorgesehen, die mit dem umgebenden Medium, wie die Erdschicht um das Bohrloch herum, induktiv gekoppelt wird. Wechselströme von zwei verschiedenen Frequenzen können einer einzigen Induktanzspule zugeleitet werden, oder es können zwei Spulen vorgesehen werden, die je Wechselstrom von verschiedener Frequenz erhalten, wobei jede Spule an ihre eigene Ausgleichsschaltung angeschlossen wird. Mit Hilfe geeigneter Siebkreise können die Wechsel- ströme aus einer einzigen Stromquelle mit mehrfaeher Frequenz getrennt werden. Jeder Ausgangsstromkreis jeder Schaltung ist dabei mit einem Ermittlungsgerät verbunden, das nur auf eine ausgewählte Frequenz anspricht, oder es können getrennte Stromquellen von verschiedener Frequenz benutzt werden.
Bei einer Ausführungsform hat das System eine Untersuchungseinheit, die manchmal als » Bombe « bezeichnet wird und den auszugleichenden Stromkreis sowie eine Mehrzahl von phasenempfindlichen, frequenztrennenden Ermittlungsgeräten mit den induktiven Mitteln zur magnetischen Kopplung mit dem umgebenden Medium trägt. Die induktiven Mittel sind mit dem auszugleichenden Stromkreis verbunden, um in diesem eine Unausgeglichenheit (im weiteren als »Unbalanz« bezeichnet) zu ergeben, die die Änderungen der Impedanz darstellt. Der auszugleichende Stromkreis ist mit den Wechselspannungen verschiedener Frequenz verhunden und ergibt Signale für die Ermittlungsgeräte, die Änderungen in der Impedanz des induktiven Mittels darstellen. Die Ermittlungsgeräte messen die in Phase und außer Phase liegenden Komponenten der Signale als Anzeigen der Änderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das getrennte Ansprechen auf jede einer Mehrzahl von Wechselspannungen durch einen Stromkreis gesteigert, der aus einer Mehrzahl von Wheatstonschen Brücken und einer Induktanzspule mit einer Mehrzahl von Wicklungen besteht, wobei jede auszugleichende Brücke mit einer getrennten Wicklung der Induktanzspule verbunclen ist. Auf diese Weise wird der Stromkreis zur Messung jeder Größe im wesentlichen vom Einfluß des anderen Stromkreises ferngehalten, und jede Wicklung kann so auf der Induktanzspule angeordnet werden, daß sie ein Maximum an Empfindlichkeit für die Größe aufweist, deren Änderungen durch die Wicklung gemessen werden sollen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. I ein Schema eines Untersuchungssystems innerhalb und außerhalb eines Bohrloches, Fig. 2 eine schematische Wiedergabe eines Teils des Systems nach Fig. I, Fig. 3 ein Schaltschema des Untersuchungssystems nach Fig. I, Fig. 4 ein weiteres Schaltschema, Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Spule der Fig. 4, Fig. 6 eine Aufsicht auf die elektrostatische Abschirmung der Fig. 5, Fig. 7 eine Seitenansicht der elektrostatischen Abschirmung, Fig. 8 ein Schema einer weiteren Ausführungsform, Fig. 9 einen äquivalenten Stromkreis für die Spule nach Fig. 8, Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. II eine Aufsicht auf die Abschirmung nach Fig. I0, Fig. 12 eine Seitenansicht der Abschirmung, Fig. I3 ein Schema einer weiteren Ausführungsform, Fig. I4 ein Schema des Brückenstromkreises der Fig. 13, Fig. 15 einen Längsschnitt durch das Untersuchungsgerät, Fig. I6 einen Querschnitt nach der Linie I6-I6 der Fig. I5, Fig. I7 eine isometrische Ansicht eines Teils des Temperaturausgleichswiderstands, Fig. 18 eine schematische Ansicht einer Ausführung der Induktanzspule zur Veranschaulichung der induktiven Kopplung mit dem das Bohrloch umgebenden Medium, Fig. 19 ein schematisches Diagramm des äquivalenten Transformators entsprechend Fig. I8, Fig. 20 eine schematische Ansicht einer Ausführung der Erfindung unter Verwendung einer Induktanzspule mit Einzelwicklung und eines einzigen B rückenstromkreises, Fig. 21 eine schematische Ansicht einer Induktanzspule mit Doppelwicklung, Fig. 22 ein Schema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Induktanzspule mit zwei Wicklungen und zweier B rückenstromkreise.
Einzelbeschreibung des Grundsystems (Fig. I, 2 und 3) Gemäß der Erfindung wird ein Signal erzeugt, das von dem Leitvermögen und der Aufnahmefähigkeit des Bodens abhängig ist. Das Signal wird ermittelt und in zwei Komponenten getrennt, die proportional der Leitfähigkeit und der Aufnahmefähigkeit sind und die dann gemessen und/oder aufgezeichnet werden. Eine Verwirklichung des Systems zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. I dargestellt, wobei ein Bohrloch 10 gezeigt ist, das eine tiefe Formation II durch die höheren Schichten 12, die verwitterte Schicht I4 und Zwischenschichten I3 durchdringt.
Es ist klar, daß benachbarte Schichten, wie die Schichten II und 12, vorhanden sein können, die in der Leitfähigkeit nicht verschieden sind, aber einen wesentlichen Unterschied in Aufnahmefähigkeit haben können, oder umgekehrt. In jedem Falle könnte ein System, das nur eine der beiden Meßgrößen mißt, ein abgegrenztes Gebiet von beträchtlicher Wichtigkeit im Hinblick auf mineral- oder ölführende Eigenschaften oder die Aufzeichnung von Untergrundschichten vollkommen verfehlen.
Gemäß der vorliegen den Erfindung wird ein Signal erzeugt, das von zwei Eigenschaften der Formationen abhängig ist, nämlich der Leitfähigkeit und der Aufnahmefähigkeit. Dadurch können die Leitfähigkeit und die Aufnahmefähigkeit der Formation je für sich oder zusammen bestimmt werden. Das erzeugte Signal wird in der Phase ermittelt, um die beiden Effekte gleichzeitig zu messen und/oder je für sich aufzuzeichnen. l)as dargestellte System zum Messen der erwähnten beiden Effekte enthält eine Brückenschaltung 20. Der Brückenstromkreis, gewöhnlich als Slaxwell-Brücke bekannt, enthält Widerstandszweige 21 und 22, einen kapazitiven Zweig 23 und einen Induktanzzweig 24. Der induktive Zweig ist eine längliche Untersuchungsspule 25. Diese Spule 25 wird mit den das Bohrloch umgebenden Formationen induktiv gekoppelt. Die Spule soll eine Länge haben, die im Vergleich zum Lochdurchmesser groß ist, so daß der Feldfluß im wesentlichen ganz durch die Formation und nicht durch das Loch selbst geht. Eine längliche Spule hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie die Wirkung eines heträchtlichen Erdabschnittes zusammenfaßt und für starke lokale Änderungen unempfindlich ist, wie sie durch Stahlspäne od. dgl. hervorgerufen werden können, die vom Bohrvorgang her in der Wandung des Bohrloches vorhanden sein können.
Die Länge der Spule kann im Bereich von 6 bis loLochdurchmessern liegen, ihr Durchmesser soll so groß sein, wie es für die freie Bewegung innerhalb des Bohrloches zulässig ist. In einem Anwendungsfall wurde bei einem Bohrloch von 15 cm eine Länge von ungefähr I m als geeignet gefunken.
Die Veränderung des elektrischen Impedanzwiderstandes der Windungen 26 der Spule 25 bei ihrem Durchgang durch das Bohrloch und durch umgebende Formationen von wechselnden physikalischen Eigenschaften ergibt eine Unbalanz der Brücke 20 und an ihren Ausgangsklemmen ein Signal proportional den Änderungen. Wie in Fig. I dargestellt, wird die Brücke von einer Wechselstromquelle, beispielsweise einem Oszillator 30, gespeist, der durch den Transformator 3I mit den Brückenklemmen 32, 33 verbunden ist. Das erzeugte Signal bei Unbalanz der Brücke wird an den Ausgangsklemmen 34, 35 abgenommen. Das Signal der Unbalanz wird von der Untersuchungseinheit durch die Leitung 36 zur Oberfläche geleitet, die mit der Klemme 35 verbunden ist, während die Klemme 34 geerdet ist.
Die Empfindlichkeit und das Trennvermögen der Untersucllungseinheit kann durch Auswahl der elektrischen Konstanten der Spule 25 nicht nur mit Bezug auf den Brückenstromkreis 20, sondern auch mit Bezug auf die elektrischen Konstanten der Formation, mit der sie gekoppelt wird, geregelt werden. Die Anwendung der Theorie von gekoppelten Stromkreisen, wie sie allgemein in »Communication Engineering« von Everett, S. 220ff., erläutert ist, auf die Kopplung zwischen der Spule 25 und den sie umgebenden Formationen, ergibt die folgenden Beziehungen: Der elektrische Stromkreis der Spule kann gemäß dem Diagramm nach Fig. 2 betrachtet werden. Eine Wechselstromquelle der Spannung Eg ist an einen Stromkreis Ao angeschlossen, der eine Impedanz Z11 hat. Damit gekoppelt ist ein zweiter Stromkreis ßI mit einer Impedanz Z.,W,. Die gegenseitige Kopplung oder die Übertragungsimpedanz zwischen Stromkreis Ao und AI ist durch Z12 dargestellt.
Im Stromkreis der Fig. 2, bezogen auf den Brückenstromkreis der Fig. I, entspricht die Stromquelle Eg mit ihrer Spannung der Spannung zwischen den Klemmen 33, 34 der Brücke. Das Zeichen Ztt stellt die Impedanz, die von den Klemmen 33, 34 in die Brücke zurückwirkt, plus der Impedanz der Windungen 26 der Spule 25 dar. Das Zeichen Z22 kann als Impedanz des Weges angesehen werden, in dem die Ströme innerhalb des Erdbodens induziert werden. Der Stromweg kann also als ein einziger Kreis 27 (Fig. I) mit einem hohen Widerstand 28 aufgefaßt werden. Da der Widerstand 28, der in der weiter unten angegebenen Gleichung mit R28 bezeichnet wird, gewöhnlich hoch ist im Vergleich mit der Reaktanz des einzigen Kreises 27, kann Z22 als gleich dem Widerstand 28 betrachtet werden. Die Kopplung Z12 ist bestimmt durch das Verhältnis der Spannung Eg zum Strom IoJ der im Kreis 41 fließt (Fig. 2), oder zum Strom, der in dem Kreis 27 fließt (Fig. I). Im Stromkreis der Fig. I ist die wirkende Punktimpedanz Z, (die Impedanz der Spule 26, gesehen von den Klemmen 33, 34) bestimmt durch die folgende Gleichung: Die Impedanz Zoll, in Gleichung (I) ist, allgemein gesehen, aufgebaut aus einer Widerstands- und einer Rückwirkungskomponente. Ähnlich ist die Übertragungsimpedanz oder die gegenseitige KopplungZ12 eine zusammengesetzte Größe. Es wurde gefunden, daß die Empfindlichkeit der Untersuchungseinheit durch die Konstruktion der Spule bestimmt wird. Z11 ist also durch den Widerstand und die Induktanz der Spule bestimmt. Die Induktanz ist eine Funktion der Windungen der Spule und der Eigenschaft des Stoffes, der den Feldfluß enthält. Zusätzlich ist Z., eine Funktion des Betrages des Feldflusses, der durch die Spulenwindungen von Z erzeugt wird, die parallel zu den Windungen von Z12 liegen. Mit Bezug auf Fig. I gesehen entsprechen die Windungen von Z11 der Spule 26 und die Windungen von Z22 dem Einzelkreis 27. Die Widerstandskomponente von Z wird vorzugsweise klein im Vergleich mit der Rückwirkungskomponente gemacht. Die Rückwirkungskomponente von Z12 ist vorzugsweise klein im Vergleich zur Summe von R28 und der Widerstandskomponente von Z12.
Aus einer Prüfung der Gleichung (I) ergibt sich, daß eine Änderung von jeweils Z, Z12 oder R28 eine feststellbare Wirkung oder eine Unbalanz in der Brückenschaltung erzeugt. Eine Unbalanz kann durch jede der zwei getrennten und bestimmten Eigenschaften der Erdformation erzeugt werden.
Eine Vergrößerung der Aufnahmefähigkeit der Erdformationen vergrößert die Induktanz der Spule 26, die eine entsprechende Änderung von Zlf erzeugt. Indem der Kern der Spule 25 aus einem Stoff von geringer Reluktanz hergestellt wird, werden die Änderungen der Aufnahmefähigkeit der Erdformationen ein verhältnismäßig größerer Teil der gesamten Aufnahmefähigkeit des Feldweges.
Um die vorgehenden Darlegungen zu erläutern, so wird die Reluktanz des Weges innerhalb des Kerns hoch sein im Vergleich zur Reluktanz des Teils des Weges in den Erdformationen, wenn eine Spule mit einem Kern von hoher Reluktanz, wie beispielsweise ein hohler Kern oder ein Fiberkern, benutzt wird. Infolgedessen werden Änderungen in der Reluktanz der Formation, wie z. B. erzeugt durch Änderungen der Aufnahmefähigkeit, verhältnismäßig unbedeutend sein, wenn sie zu dem größeren Teil des Reluktanzfaktors hinzugefügt werden, der durch den Weg innerhalb des Kerns bewirkt wird. Anders ausgedrückt, sind die Änderungen im Vergleich zur gesamten Reluktanz so klein, daß sie schwierig zu messen sind. Wird dagegen der Kern aus magnetischem Stoff mit geringer Reluktanz hergestellt, so wird die Aufnahmefähigkeit der Unters uchungs einheit mit Bezug auf die Änderungen der Aufnahmefähigkeit der Formationen erheblich vergrößert, da für alle praktischen Zwecke die Reluktanz des Weges innerhalb des Kerns sehr niedrig und in den meisten Fällen im Vergleich zu der gesamten Reluktanz vernachlässigbar ist.
Bei einer bestimmten Stärke des Magnetflusses wird der Fluß, der die Formationen parallel zum Einzelkreis durchdringt, durch eine Verminderung der Reluktanz des Fluß wegs vergrößert.
Der Wert Z12 des zweiten Faktors Z,2 R25 der Gleichung (I) wird also vergrößert, wodurch die Aufnahmefähigkeit der Untersuchungseinheit mit Bezug auf die Leitfähigkeitsänderungen in den Formationen erhöht wird.
Die Unbalanzsignale, die durch eine Änderung der Aufnahmefähigkeit und jene, die durch eine Änderung der Leitfähigkeit der Formationen erzeugt werden, liegen, gesehen von den Klemmen 33, 3+ der Untersuchungsspule, um go0 zeitlich phasenverschoben zueinander. Dies ermöglicht eine Trennung und gleichzeitige Messung der beiden Effekte.
Zurückkehrend zu Fig. I, sind die unterhalb des Pfeiles 45 liegenden Elemente vorzugsweise in einem Gehäuse oder torpedoartigen Zylinder eingeschlossen, der in geeigneter Weise in das Bohrloch hinabgelassen werden kann. Von der Untersuchungseinheit führt ein Kabel 46 an die Oberfläche, das die Leitung 36 der Brücke 20 enthält, ferner eine zweite Leitung 47 vom Oszillator 30 und eine Abschirmung 48 aus leitendem Stoff, die sowohl an der Oberfläche und am Gehäuse der Untersuchungseinheit geerdet ist. Das Kabel 46 hat außerdem noch ein nicht dargestelltes Zugglied, um das Gewicht der Untersuchungseinheit zu tragen und die Kräfte aufzunehmen, die beim Einlassen und Herausziehen der Untersuchungseinheit in das bzw. aus dem Bohrloch entstehen.
Das Unbalanzsignal von der Brücke 20 wird zu einem Meßgerät 50 an der Oberfläche geleitet. Dieses enthält phasenempfindliche Mittel zur Trennung der Unbalanzsignale in eine erste Komponente proportional zur scheinbaren Leitfähigkeit der Formation und eine zweite Komponente proportional der Aufnahmefähigkeit der Formation.
Die beiden Signale werden getrennt mit Bezug auf ein Signal vom Oszillator 30, der mit dem Stromkreis des Meßgeräts 50 durch die Leitung 47 verbunden ist. Das Meßgerät hat Meßinstrumente 51 und 52, die bei geeigneter Eichung Leitfähigkeit und Aufnahmefähigkeit entsprechend anzeigen.
Am Ausgang des Meßstromkreises kann auch ein doppeltes Registriergerät 55 angehängt sein.
DieLeitfähigkeits- oder Widerstandskomponente, die durch das Instrument 51 angezeigt wird, kann zum Registriergerät 55 durch Leitung 56 übertragen werden und wird durch den Schreibstift 57 aufgezeichnet. In gleicher Weise wird die Aufnahmefähigkeitskomponente, die durch Instrument 52 angezeigt wird, durch Leitung 58 übertragen und durch den Schreibstift 59 auf dem Papierstreifen 60 des Registriergeräts 55 aufgezeichnet. Die Länge des Papierstreifens kann zweckmäßig in Tiefeneinheiten eingeteilt sein, so daß die Aufzeichnung eine direkte Kurve der Änderungen der obenerwähnten Faktoren in Abhängigkeit von der Tiefe des Bohrloches ist. Dies kann zweckmäßig dadurch verwirklicht werden, daß der Papierstreifen des Registriergeräts 55 proportional zur Bewegung der Untersuchungseinheit durch einen Synchronisator 6I angetrieben wird, der seinerseits von einem zugehörigen Synchronisator 62 gespeist wird. Der Synchronisator 62 kann durch eine Seilscheibe 63 angetrieben werden, die mit dem Kabel 46 mechanisch gekoppelt oder von diesem getrieben wird.
Das beschriebene Untersuchungssystem ist in größerer Ausführlichkeit in dem Schema der Fig. 3 dargestellt. Soweit möglich, wurden in dieser Figur dieselben Bezugszeichen wie in Fig. I benutzt. In Fig. 3 sind die Zuleitungen 26a und 26b der Windungen 26 der Spule 25 am Zweig 24 der Brücke 20 angeschlossen. Das Signal an den Ausgangsklemmen 34, 35 wird über die Leitung 36 zur Primärwicklung eines Transformators 36a geleitet und dann geerdet. Die Sekundärwicklung des Transformators 36Q hat eine Klemme geerdet, und die zweite Klemme liegt durch Leitung 36b am Speisetransformator 70 des Meßstromkreises. Der in der Fig. 3 von gestrichelten Linien eingeschlossene Teil stellt die Untersuchungseinheit dar, die in das Bohrloch eingelassen wird.
Der Oberflächenteil des Untersuchungssystems enthält den Meßstromkreis 50. Die Primärwicklung des Transformators 70 ist mit ihrer zweiten Klemme geerdet oder an die Gerätmasse 7I angeschlossen. Der Sekundärstromkreis des Transformators 70 enthält einen Widerstand 72 und das Steuergitter der Pentodenverstärkerröhre 73. Der Kathodenstromkreis der Röhre 73 enthält einen Widerstand 74. Das Unbalanzsignal der Brücke 20 wird in der Röhre 73 verstärkt, der Anodenstrom derselben gelangt über einen Kondensator 75 zu einem Siebkreis 76. Anode und Gitter der Röhre /3 sind in üblicher Weise durch die Kondensatoren 77 entkoppelt und werden von einer gemeinsamen Anodenstromquelle B + gespeist.
Der Siebkreis 76 ist vorzugsweise vom Bandfiltertyp und auf die Frequenz des Oszillators 30 abgestimmt, um unerwünschte oder fremde Signale aus dem System auszuschalten. Am Ausgang des Siebkreises 76 ist dann ein erster Verstärkerkreis mit den Röhren 8o und 8r angeschlossen. Der Ausgang des Kreises 76 speist über Widerstand 82 das Steuergitter der Röhre 8I. Der Stromkreis der Verstärkerröhre 8I kann dem der Röhre 73 entsprechen. Der Anodenstrom der Röhre 8o speist über einen Ausgangskondensator 84 die Triode 8I.
Der Anodenstromkreis der Röhre 81 enthält einen Ausgangstransformator 85. Die Anoden der Röhren So und 8I werden von der gemeinsamen Anodenstromquelle B + mit Leitung 86 gespeist.
Die Ausgangsseite des Siebkreises 76 ist auch an einen zweiten Kanal mit den Röhren go und 91 angeschlossen. Die Leitung 92 leitet das aus dem Kreis 76 kommende Signal zum Potentiometer 93.
Das Steuergitter der Röhre go ist mit dem veränderlichen Schieberanschluß des Potentiometers 93 verbunden. Der Stromkreis der Röhre go ist im allgemeinen der gleiche wie der der Röhre 73 mit der Ausnahme, daß der Anodenstromkreis einen Ausgangstransformator hat. Die Primärwicklung des Ausgangstransformators 94 liegt in Reihe mit der Anode der Röhre 90. Die Sekundärwicklung des Transformators 94 ist mit einem Phasenverschiebungskreis 95 verbunden.
Der Phasenverschiebungskreis enthält einen Kondensator 9Sa und einen Widerstand 95U, die in Reihe geschaltet sind und im Sekundärstromkreis des Ausgangstransformators 94 liegen. Die gemeinsame Verbindung von Kondensator 95 und Widerstand 951 ist über Sammelleitung 7I' geerdet. Das Gitter der Röhre gI ist mit der mittleren Klemme der Sekundärwicklung des Transformators 94 verbunden. Die Reaktanz des Kondensators 9Sa und Widerstand 95o werden zur Frequenz des Oszillators 30 gleich gemacht, so daß die auf dem Gitter der Röhre 91 erscheinende Signalspannung um go0 in der Phase zur Spannung verschoben wird, die durch die Sekundärwicklung des Transformators 94 ankommt. Demgemäß wird die Spannung, die dem Steuergitter der Röhre 91 zugeführt wird, um 900 in der Phase zu der Spannung verschoben, die dem Steuergitter der Röhre 8I zugeführt wird.
Der Ausgangs- oder Anodenstromkreis der Röhre 91 enthält den Transformator 96. Die Anoden der Röhren go und 91 und das Schirmgitter der Röhre 90 werden von der gemeinsamen Quelle B+ und Leitung 86' gespeist.
Bei dem beschriebenen Schaltsystem wird das von den Brückenklemmen 34, 35 ausgehende Unbalanzsignal den Primärwicklungen der Transformatoren 85 und 96 zugeführt. Die Spannungen an den Transformatoren 85 und 96 können die gleiche Größe haben, jedoch sind sie um 900 phasenverschoben. Da Änderungen in der Leitfähigkeit und der Aufnahmefähigkeit gewöhnlich nicht von gleicher Größe sind und da es wünschenswert ist, die beiden Komponenten mit ungefähr g]eicher Deutlichkeit anzuzeigen, sind die Potentiometer entsprechend geeicht, um damit die Anderungswerte der Leitfähigkeit und der der Aufnahmefähigkeit genau bestimmen zu können.
Wie oben bereits erläutert, sind die Wirkungen der Änderungen in der Leitfähigkeit der Formationen (oder im darstellenden Widerstand 28 der Fig. 1) und in der Aufnahmefähigkeit der Erdformationen, die auf die Impedanz der Spule 25 zurückwirkt, um go0; in der Phase verschoben.
Demgemäß können die den Transformatoren 85 und 96 zugeführten Signale mit einer Bezugsspannung verglichen werden, um gleichzeitig die Größe des Widerstands- und des Aufnahmeeffekts zu bestimmen. Die Bezugsspannung wird von der Ausgangsseite des Oszillators 30 abgenommen und den Widerständen 30a und 30b zugeführt, die in Parallelschaltung mit der Primärwicklung des Transformators 3I verbunden sind. Die linke Klemme des Oszillators ist geerdet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die gemeinsame Verbindung der Widerstände 30 und 301 ist mit der Leitung 47 durch das nach oben führende Kabel 46 verbunden. Auf der Oberfläche ist die Leitung 47 mit einem Verstärkungskanal IOO verbunden, der im Meßgerät 50 liegt. Der Ausgangsteil des Verstärkers 100 enthält in der dargestellten Form eine Kathodenfalltriode IOI. Der Ausgang der Triode geht durch den Kondensator 102 zur Primärwicklung des Transformators 103. Die Sekundärwicklung des Transformators 103 ist mit einem Phasenverschiebungskreis 104 verbunden. Der Ausgang des Phasenverschiebungskreises ist durch Leitung Io5 mit dem Steuergitter von Trioden I06 und Io6a verbunden. Der Ausgang der Triode I06 wird in einem phasenempfindlichen Kreis IIO benutzt, der die Sekundärwicklung des Transformators 85 einschließt, um die Leitfähigkeitskomponente des Unbalanzsignals der Brücke zu messen. Der Anodenstromkreis der Röhre Io6 enthält eine Leitung III, die mit der Primärwicklung des Transformators 112 verbunden ist. Die andere Klemme der Primärwicklung des Transformators 112 ist mit der gemeinsamen Ouelle B + und Sammelleitung 86 verbunden. In gleicher Weise enthält der Anodenstromkreis der Röhre 106a eine Leitung 113, die Primärwicltlung des Transformators 114 und ist dann durch Leitung II5 an die gemeinsame Ouelle B + und Sammelleitung angeschlossen. Der Transformator 114 liegt in einem zweiten Phasenstromkreis 115, der auch den Transformator 96 enthält. Der Ausgang des Kreises 115 ist proportional der Aufnahmefähigkeit.
Die phasenempfindlichen Kreise IIO und 115 sind in der Technik genau bekannt. Ihre Wirkungsweise ist beschrieben in »Servomechanism Fundamentals« von Lauer, Lesnick, Matson (McGraw-Hill), S. 206 bis 209. Kurz erläutert, enthält der Kreis 110 Gleichrichter 107 und Io7a sowie einen Ausgangswiderstand Io8. Die Gleichrichter 107 und Io7a sind gleichpolig mit Bezug auf die Spannung, die durch Transformator 112 kommt, und ungleich gepolt mit Bezug auf die Signalspannung durch Transformator 85. Ihre Wirkungsweise ist so, daß das Instrument 51 im Ausgangsstromkreis des Phasenverschiebungskreises 110 einen Wert anzeigt, der proportional der Größe des in die Primärwicklung des Transformators gelangenden Signals ist, der »in Phase« mit der Bezugsspannung vom Oszillator 30 ist, die in die Primärwicklung des Transformators 112 geschickt wird. Dieses Ausgangssignal gelangt zum Instrument 51 und dann mittels der Leitung 120 in einen Kanal der Registriereinrichtung 55 und wird dort auf dem Papierstreifen durch den Schreibstift aufgezeichnet.
Der Kreis 115 ist der gleiche wie Kreis IIO sowohl im Aufbau wie in der Wirkungsweise. Das Instrument 52 im Ausgangskreis des Phasenkreises 115 zeigt eine Spannung an, die proportional der Komponente der Spannung ist, die in die Primärwicklung des Transformators 96 gelangt, der »in Phase« mit der Bezugsspannung liegt, die in die Primärwicklung des Transformators 114 geschickt wird. Diese Spannung wird vom Instrument 52 mittels Leitung I2I in den zweiten Einlaß der Registriereinrichtung 55 geleitet und auf dem Papierstreifen durch den Schreibstift 59 aufgezeichnet.
Da das Signal, das am Transformator 85 ankommt, sich von dem Signal, das am Transformator 96 ankommt, durch eine Phasenverschiebung von 900 unterscheidet, sind die Signale, die auf die Registriereinrichtung gelangen, Funktionen von Komponenten des Unbalanzsignals aus der Brücke 20, die go'0 verschoben sind. Durch geeignete Eichung und Einstellung, die weiter unten beschrieben wird, kann das Instrument 51 so eingerichtet werden, daß es Widerstandseffekte, aufgenommen von der Spule 25, anzeigt, während das Instrument 52 Aufnahmefäh,igkeitseffelçte angibt.
Zusätzlich zur Kopplung des Oszillators oder Bezugssignals vom Verstärker IOO mit den phasenempfindlichen Kreisen IOO und 115 wird das Signal noch von einer zweiten Kathodenfalltriole 130 in dem Verstärker 100 durch Leitung I3I einem Phasenkreis I32 ähnlich dem Kreis 104 zugeführt. Der Ausgang des Kreises I32 ist durch Leitung 133 mit dem Steuergitter der Röhre 73 verbunder. Geeignete Einstellung der Amplitude und Phase der wiedereingeführten Spannung an der Leitung 133 kompensiert remanente Unbalanz des Brückenkreises.
Im Betrieb ist der Phasenwinkel zwischen den Signalspannungen, die auf die Gitter der Röhre 81 und 91 (Fig 3) gelangen, infolge der Phasenverschiebung im Kreis 95 immer go0. Vor dem Herablassen der Untersuchungseinheit in ein Bohrloch wird die Untersuchungseinheit mit der Spule 25 in der Luft aufgehängt. Das Signal aus dem Phasenkreis I32 wird dann so eingestellt, daß es remanente Unbalanz im Brückenkreis kompensiert.
Diese Grundeinstellung kann durch Messung des Signals durch den Gitterwiderstand 82 mit einem geeigneten Instrument, beispielsweise einem Vakuumröhrenvoltmesser, erfolgen. Das System wird geeicht, nachdem die remanente Unbalanz auf Null gebracht ist, indem eine Versuchsspule von wenigen Windungen aus Draht mit der Spule 25 gekoppelt wird, beispielsweise durch Umwicklung des Gehäuses der Spule 25. Wenn die Versuchsspule auf einen Widerstand begrenzt ist, der im Vergleich zu ihrer Induktanz groß ist, so wird die Unbalanz, die durch den Brückenstromkreis 20 eingeführt wird, bei ihrem Vorhandensein rein widerstandsmäßig sein. Die Einstellung des Potentiometers Io4a im Phasenverschiebungskreis 104 wird dann vorgenommen, so daß das Unbalanzsignal, das durch die Gegenwart der widerstandsbegrenzten Spule hervorgerufen wird, mit dem dem Transformator 85 des phasenempfindlichen Kreises IIO zugeführten Signal »in Phase« liegt. Wenn die Phasenverschiebung im Kreis 104 genau eingestellt ist, kann der mit der Spule 25 induktiv gekoppelte Widerstand in die Nähe der Spule 25 gebracht oder aus der Nähe entfernt werden, ohne daß irgendeine Wirkung am Ausgang des phasenempfindlichen Kreises II5, angezeigt durch Meßinstrument 52, entsteht. Zur gleichen Zeit wird ein Maximum an Wirkung am Ausgang des phasenempfindlichen Kreises IIO, angezeigt durch Meßinstrument 51, bemerkt werden können. Wenn diese Einstellungen vorgenommen sind, kann die Untersuchungseinheit in das Bohrloch eingeführt und die Anderu;ngen in der Leitfähigkeit und der Aufnahmefähigkeit können ermittelt werden.
Einzel beschreibung einer Ausführung der elektrostatischen Abschirmung Aus Fig. 4 ist ein System ersichtlich, bei dem die Formationen elektromagnetisch durch eine Spule 210 mit einem Meß- oder Anzeigekreis gekoppelt sind, der zwischen Leitung 211 und Erde 211a hegt. Es ist ein Brückenstromkreis 212 vorhanden, der als eine Maxwell-LC-Brücke gekennzeichnet werden kann und eine Induktanz im Zweig 213, Widerstände in den Zweigen 214 und 2I5 und einen Kondensatorwiderstand in Parallelschaltung als Zweig 2I6 hat. Audiofrequente Ströme aus einer geeigneten Stromquelle werden der einen Diagonale (Klemmen 217 und 2I8) über Transformator 2I9 zugeführt. Die Ausgangsdiagonale kann dann mittels der erwähnten Leitung2II mit dem Stromkreis oder auch anderen Mitteln zur Messung der Spannungen verbunden werden, die zwischen Erde 211a und Leitung 211 entstehen, wenn sich die Brücke in Unbalanz befindet.
Die Spule 210 besteht aus schraubenförmigen Windungen, die um einen verlängerten Kern von hoher magnetischer Permeabilität gewickelt sind.
Beim Durchgang von einer Formation zur ande- ren dient der Fluß, der im Kern der Spule 210 erzeugt wird, dazu, Impedanzänderungen im Zweig 213 der Brücke 212 widerzuspiegeln, die von den Eigenschaften der Formationen abhängig sind. Da die Formationen, prinzipiell betrachtet, als Sekundärwicklung eines Transformators angesehen werden können, dessen Primärwicklung die Spule 210 ist, so ist erkennbar, daß der Widerstand der Formationen im Zweig 213 der Brücke 210 widergespiegelt wird und daß Änderungen in der Aufnahmefähigkeit der Formationen die Reaktanz des Zweiges 213 ändern. Es ist daher bei einem solchen System wünschenswert, die beiden Widerstands- und Reaktanzkomponenten irgendeiner Brückenunbalanz, hervorgerufen durch die widergespiegelte Impedanz im Zweig 2I3. zu messen.
Es wird oft gefunden, daß Veränderungen in den Formationen, die geologisch bedeutend sind, nur kleine Brückenunbalanzen ergeben. Es ist daher notwendig, so weit als möglich irgendwelche Unbalanzen der Brücke 212 auszuschalten, die nicht von den zu ermittelnden Eigenschaften der Formationen herrühren.
Es wurde ferner gefunden, daß Veränderungen der dielektrischen Konstante der Formationen und Änderungen der natürlichen Potentiale, die zwischen den Formationen und der Spule 210 bestehen, einen Stromfluß in Teilen der Spule hervorrufen, die als Signale in der Brücke erscheinen und daher unerwünscht sind. Um die Erzeugung solcher Fremdsignale auszuschalten, werden Mittel vorgesehen, um die Spule wirksam zur Vermeidung irgendwelcher elektrostatischer Wirkungen abzuschirmen. Die Abschirmung gestattet gleichzeitig ohne jegliche Störung die elektromagnetische Kopplung mit den Formationen. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist eine äußere Abschirmung, angedeutet durch die gestrichelte Linie 220, vorgesehen, die die Spule 210 vollständig einhüllt. Die Abschirmung ist mit der Leitung 221 der Spule 210 elektrisch verbunden, wobei die Leitung zur Erdklemine 211a der Brücke 212 führt. Die Hochspannungsleitung 223 der Spule 210 ist dann ferner mit der Eingangsklemme 2I8 verbunden.
In Fig.5 ist die Spulenanordnung eingehender dargestellt. Die Spule 210 ist eine doppelt gewickelte Spule, die auf einem länglichen Kern 230 angeordnet ist. Ein Zylinder 231 aus nichtmagnetischem Isolierstoff liegt zwischen dem Kern 230 und der Spule 210. Der Kern 230 erstreckt sich über beide Enden der Spule 2Io hinaus, um übermäßig hohe Konzentration des magnetischen Flusses in unmittelbarer Nähe der Spulenenden zu vermeiden. Ein Mantel 232 aus nichtmagnetischem Isolierstoff umgibt die Spule 210. Eine Mehrzahl von länglichen Leitern sind ferner um die Peripherie der Spule herum angeordnet und erstrecken sich in Längsrichtung der Spule mit ihren Achsen parallel zu der Achse des Kerns 230 Die Leiter, von denen zwei mit 233 und 234 in Fig. 5 bezeichnet sind, sind alle an den unteren Enden der Wicklung stromkreismäßig gesehen »offen«, während sie anderseits oben elektrisch miteinander verbunden und an einen sprengringartigen Leiter 235 angeschlossen sind, der mit der Erdklemme 22I der Fig. 4 verbunden ist. Der Ringleiter 235 ist nicht geschlossen, sondern bei 236 offen (vgl. Fig. 6), so daß kein mit der Spule 210 gekoppelter Kurzschlußleiter vorliegt.
Die Bauart der elektrostatischen Abschirmung ist in den Fig. 6 und 7 näher veranschaulicht, wo die länglichen Leiter (Leiter 233 und 234 usw.) vom Ringleiter 235 ausgehen. Es ist ersichtlich, daß infolge der elektromagnetischen Kopplung zur Spule kein Strom in ihnen fließen kann, weil die Leiter an einem Ende offen sind. Gleichzeitig liegt aber ein wirksamer Potentialträger vor, der die Spule 210 vollständig umgibt, und dieser Träger selbst steht unter Erdpotential. Kommen nun Veränderungen in den elektrostatischen oder dielektrischen Eigenschaften der Formationen oder der Bohrflüssigkeiten vor, die einen Stromfluß erzeugen, so wird dieser auf die Abschirmung beschränkt.
In Verbindung mit der beschriebenen Konstruktion ist ein länglicher magnetischer Kern mit einer zentral dazu liegenden Wicklung vorgesehen, um beim Stromfluß durch diese eine magnetische Kopplung mit den Formationen zu erzeugen, die das Bohrloch umgeben, in dem das System arbeitet.
Die elektrostatische Abschirmung, die die Spule umgibt und, soweit das Meßsystem selbst betroffen ist, Erdpotential hat, verhindert das Hereinkommen von unerwünschten Signalen von einer natürlichen elektrostatischen Quelle, während sie anderseits die gewünschte magnetische Kopplung mit den Formationen zuläßt.
Einzelbeschreibung einer zweiten Form einer elektrostatischen Abschirmung (Fig. 8,9, IO, II, I2) In Fig. 8 ist ein auszugleichender Brückenstromkreis 310 dargestellt, bei dem Widerstände 311 und 312 gegenüberliegende Zweige und der Widerstandskapazitätskreis einen dritten Zwischenzweig bildet. Der vierte Zweig des Brückenstromkreises wird, beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt, durch eine längliche Untersuchungsspule 314 gebildet, durch die die Formationen mit dem Brückenstromkreis gekoppelt werden.
Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 8 bis I2 ist die längliche Spule 314 so ausgebildet und arbeitet derart, daß die Wirkung von Änderungen der dielektrischen Eigenschaften der sie umgebenden Formationen und der im Bohrloch vorhandenen Flüssigkeiten ausgeschaltet werden. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Spule 314 (Fig. 8) einen länglichen Kern 315, vorzugsweise aus ausgeglühten, unremanenten Blechen von hoher Permeabilität. Eine Einzelwicklung3I6, vorzugsweise gebildet aus einer Mehrzahl von Lagern aus isoliertem Kupferdraht, schließt die Bleche 315 ein. Die Wicklung 3I6 bildet einen einzigen, fortlaufenden Weg für den Stromfluß aus dem Brückenstromkreis 3Io. Wenn der Brücken- stromkreis von einer StfomquelIe 320 über Leitungen 321, die an diagonal gegenüberliegenden Eingangsklemmen 322 und 323 angeschlossen sind, Strom erhält, koppelt das elektromagnetische Feld die Formationen wirksam mit dem Brückenstromkreis.
Gemäß der vorhergehenden Beschreibung wird das erzeugte Signal, das durch die diagonal liegenden Ausgangsklemmen, nämlich die geerdete Klemme 326 und die Hochspannungsklemme 327, geht, mittels eines Stromkreises 328 zu einem Phasenermittlungssystem 329 geleitet. Eine Bezugsspannung wird ebenfalls in den Phasenermittlungsstromkreis 329 geschickt, und zwar von der Erregerquelle 320 mittels eines Stromkreises 330. Durch die Phasenermittlung des Signals in den Leitungen 328 werden zwei Komponenten erzeugt, nämlich eine Widerstandskomponente R und eine Reaktanzkomponente X, die dann einer Registriereinrichtung 33I zugeführt werden, um hier einen Papierstreifen mit der Kurve der Änderungen in den Widerstands- und magnetischen Eigenschaften' des Bohrloches als Funktion der Tiefe der Spule 314 im Bohrloch zu versehen.
Die Frequenz des Brückeneiregungssignals von der Stromquelle 320 her ist verhältnismäßig gering, vorzugsweise im Audiobereich. In diesem Fafl bestimmen die magnetischen Eigenschaften der Formationen überwiegend die Reaktanzkomponente X, die vom System 329 ermittelt wird.
Es wurde jedoch gefunden, daß Veränderungen in den dielektrischen Eigenschaften der Formationen und besonders der Flüssigkeiten im Bohrloch einen entgegengesetzten Effekt zu dem hervorrufen, der durch die magnetischen Eigenschaften der Formationen bewirkt wird, wodurch in das Registriersystem ein Faktor hineingetragen wird, der von den untersuchten Eigenschaften unabhängig ist.
Mit Bezug auf Fig. g wird der Grund für solche Fehler verständlich. Fig. 9 veranschaulicht den äquivalenten Stromkreis der Spule 314, in dem der Widerstand 340 den Widerstand der Wicklung 316 darstellt. Die Induktanz 341 stellt die Induktanz der Wicklung 316 dar. Der Kondensator bzw. die Kapazität 342 stellt die unter den Windungen verteilte Kapazität der Wicklung 3I6 dar. Wenn die Spule 314 aus einem leeren Bohrlochabschnitt in einen mit Wasser gefüllten Abschnitt gelangt, erzeugt die Anwesenheit des Wassers, das eine hohe dielektrische Konstante hat, eine Änderung der Größe des Kondensators 342 der Fig. 9. Dadurch wird eine Verschiebung der ~ Reaktanzkomponente erzeugt, die in der Registriereinrichtung erscheint, obwohl dies gänzlich unabhängig von irgendeiner Eigenschaft der Formationen ist.
Der zweite Kondensator 343 stellt die Kapazität zwischen der Wicklung 316 und der Wandung des Bohrlochs 324 dar, das nach der Erläuterung auf Erdpotential ist. Die Luft in einem leeren Abschnitt des Bohrlochs und die flüssigen Medien in mit Flüssigkeit gefüllten Abschnitten des Bohrloches bilden das Dielektrikum des Kondensators 343. Die Änderungen innerhalb dieses Kondensators zusammen mit den Änderungen innerhalb des- Kondensators 342 erzeugen solche Änderungen beim Übergang von einem leeren zu einem mit Flüssigkeit gefüllten Abschnitt des Bohrlochs, daß die Verschiedenheiten in den Widerstands- oder magnetischen Eigenschaften der Formationen im Verhältnis dazu unbedeutend sind.
Zur Vermeidung solcher unerwünschten Effekte wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine besondere Bauart der Spule vorgesehen, die, verbunden mit dem Brückenstromkreis mit einem Teil der Wicklung im wesentlichen auf Erdpotential, eLektrostatisch abgeschirmt wird. Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Wicklung 3 i6 eine mehrlagige Spule, die zunächst eine Klemme an der inneren Wicklungslage und ihre zweite Klemme an der äußeren Lage hat. Die Klemme der äußeren Lage ist durch Leitung 350 mit der Klemme 326 am Diagonalausgang des Bruckenzstromkreilses 310 verbunden. Zusätzlich ist die Klemme 326 geerdet.
In der Praxis wurde es als notwendig gefunden, die Erdverbindung an der Erdoberfläche beizubehalten, beispielsweise durch die Erdverbindung 328a, da eine wirksame Erdung zwischen dem Untersuchungsinstrument und der Wandung des Bohrloches schwierig aufrechtzuerhalten ist, wenn sich die Untersuchungsspule in einem Abschnitt des Bohrloches befindet, das von Wasser frei ist.
Es ist verständlich, daß der Brückenstromkreis 310 zusammen mit der Spule 314 in einem Gehäuse 325 eingeschlossen sein muß, von dem in Fig. 8 nur der untere Teil zu sehen ist, der aus einem nichtmagnetischen, nichtleitenden Stoff besteht. Es wurde als wünschenswert gefunden, zusätzlich zur Beibehaltung der Erdung 328a noch eine zweite Erdung am untern Ende des Gehäuses aufrechtzuerhalten. Diese Erdung ist durch den metallischen Knopf angedeutet, der am unteren Ende des Gehäuses 325 sitzt. Dieser metallische Knopf ist elektrisch verbunden mit der Klemme 326 des Brückenstromkreises 3 in, obwohl die entsprechende Verbindungsleitung nicht dargestellt ist.
Auf diese Weise ist, wenn das Gehäuse in einen mit Wasser gefüllten Abschnitt des Bohrloches eintritt, unverzüglich eine Erdung vorhanden, so daß die Klemme 326 des Brückenstromkreises auf demselben Potential gehalten wird wie die Bohrlochflüssigkeit.
Die zweite Klemme der Spule 314, zugehörig zur inneren Wicklungslage, ist mit einer Seite der Eìngangsdiagonale verbunden, nämlich durdh Leitung 352 mit der Eingangsklemme 323. Bei dieser Anordnung ist die äußere Lage der Wicklung 316, die nur einen Teil der Impedanz der Spule bildet, im wesentlichen auf Erdpotential und dient als elektrostatische Abschirmung für die verbleibenden Lagen der Wicklung.
Der Grad der elektrostatischen Abschirmung durch die äußere Lage der Wicklung 3 r6 hängt von der Spulenkonstruktion ab. Die Impedanz einer Induktionsspule dieser Art ist etwa pro- portional dem Querschnitt der Anzahl der Windungen. Wenn die Spule zwei Lagen hat, die gleichmäßig um den Kern 315 gewickelt sind, werden die dielektrischen Wirkungen, die elektrostatisch mit der Spule gekoppelt sind, durch einen Faktor von ungefähr der Größe vier reduziert, wenn die Klemme an der äußeren Lage auf Erdpotential gehalten wird. Entsprechend werden die dielektrischen Wirkungen durch einen Faktor von ungefähr neun reduziert, wenn eine dreilagige Spule verwendet wird. Indessen können die Wirkungen auch bei einer zweilagigen Spule durch Wicklung der äußeren Windungen in Abstand reduziert werden, d. h. indem die Windung nach einer Schraubenlinie mit großer Steigung vor sich geht.
Bei einer solchen Bauart entsteht ein verhältnismäßig kleiner Teil der Spulenimpedanz in der äußeren Lage, trotzdem bildet aber die äußere Lage eine wirksame elektrostatische Abschirmung für die gleichförmig gewundenen inneren Lagen und stellt einen gleichmäßigen Potentialträger rund um die Spule herum dar. Es wurde jedoch gefunden, daß gleichförmig gewundene, zweilagige Spulen gegen dielektrische Änderungen genügend abgeschirmt sind, um die gewöhnlich angebohrten Formationen untersuchen zu können. Wenn ungewöhnliche Verhältnisse angetroffen werden, kann eine mehrlagige Spule oder eine zweilagige Spule mit äußerer in Anstand gewickelter Lage erforderlich werden.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird also ein Teil der Spulenwicklung im wesentlichen auf Erdpotential gehalten, insoweit es sich um den angeschlossenen Brückenstromkreis handelt, und schirmt dabei den verbleibenden Teil der Spule gegen elektrostatische Wirkung ab, während er wenigstens teilweise die elektromagnetische Kopplung der Spule mit der umgebenden Formation vermittelt.
In Fig. IO ist eine Abänderung der Spulenbauart dargestellt. Soweit möglich wurden für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 8 benutzt. In diesem System befindet sich die Wicklung 3I6, dargestellt in Kreuzschraffur, auf einem Isolierzylinder 3I5a, der den Kern 315 der Spule umgibt. Ein zweiter Isolierzylinder 315b bildet eine isolierende Schicht um die Spule oder Wicklung 316. Der Kern 3Ig erstreckt sich über beide Enden der Wicklung 316 hinaus, um, wie oben bereits erwähnt, übermäßig hohe Konzentrationen des magnetischen Flusses unmittelbar an den Enden der Spule 3I6 zu vermeiden. Eine Mehrzahl von verlängerten Leitern sind ferner um die Peripherie der Spule 3 r6 herum angeordnet und erstrecker! sich in Längsrichtung der Spule mit ihren Achsen parallel zur Achse des Kerns 315.
Die Leiter, von denen zwei in Fig. Womit 355 und 356 bezeichnet sind, bilden an ihren unteren Enden einen offenen Stromkreis. An ihren oberen Enden sind sie jedoch sämtlich mit einem sprengringartigen Leiter 357 verbunden. Ferner sind sie, wie dargestellt. mit dem Erdungsknopf 325a durch Leiter 356 und Leiter 358 verbunden. Der Ringleiter 357 ist nicht geschlossen, sondern an der Stelle 360 offen (vgl. Fig. II), so daß hier kein mit der Spule gekoppelter Kurzschlußleiter vorliegt.
Die Bauart der elektrostatischen Abschirmung, die durch die Leiter 355 und 356 gebildet wird, ist in den Fig. II und I2 eingehender dargestellt.
Die verlängerten Leiter einschließlich der Leiter 355 und 356 erstrecken sich von dem sprengringartigen Leiter 357 aus nach unten. Es ist ersichtlich, daß durch magnetische Kopplung mit der Spule kein Strom in ihnen fließen kann, weil die Leiter an einem Ende offen sind. Mit anderen Worten sind keine geschlossenen Kreise für einen Stromfluß vorhanden. Gleichzeitig bilden aber die Leiter 355 und 356 zusammen mit den anderen gleichen Leitern einen gleichmäßigen Potentialträger, der die Wicklung 3I6 vollständig einschließt. Dieser Träger, der auf Erdpotential gehalten wird, verhindert eine elektrostatische Kopplung der Formationen oder der Bohrlochflüssigkeiten mit der Spule.
Gemäß der Erfindung ist also bei dieser Bauart ein verlängerter magnetischer Kern mit einer darauf befindlichen konzentrischen Wicklung vorhanden, um eine Kopplung mit den ein Bohrloch umgebenden Formationen vorzusehen, in die das System eindringt und unter Speisung mit Strom arbeitet. Die elektrostatische Abschirmung, die auf Erdpotential gehalten wird und die Wicklung der Spule umschließt, verhindert das Eindringen unerwünschter Signale von elektrostatischer Art, während sie die elektromagnetische Kopplung gestattet.
Die Abänderungen der Erfindung, die in Fig. 8 und IO dargestellt sind, sind geeignet für die Anbringung der erforderlichen Abschirmung. Die Art nach Fig. 8 ist jedoch zu bevorzugen, da hier die Notwendigkeit einer besonderen Abschirmungsanordnung entfällt. Die äußere Wicklungslage der Spule 3I6 (Fig. 8), die im wesentlichen auf Erdpotential gehalten wird, erfüllt die doppelte Funktion einer Abschirmung und Unterstützung der elektromagnetischen Kopplung mit den Formationen. In jedem Fall ist es jedoch notwendig, eine leitend angeschlossene Erdklemme auf der Oberfläche des Erdbodens beizubehalten.
Einzelbeschreibung des Temperaturausgleichssystems In Fig. 13 ist ein Untersuchungssystem dargestellt, bei dem die Untersuchungselemente 410 in ein Bohrloch 411 mittels eines Kabels 412 eingelassen werden, das elektrisch mit einem Ermittlungsgerät 413 verbunden ist. Die im Ermittlungsgerät 413 aufgenommenen Signale können durch geeignete Meßinstrumente gemessen oder auf einer Registriereinrichtung 4I4 mit Papierstreifen aufgezeichnet werden. Die Registriereinrichtung wird durch Empfangssynchronisator 4I5 angetrieben, der über Stromkreis 4I5a von einem Übertragungssynchronisator 4I6 gespeist wird, der eine Spannung proportional zu dem Lauf des Kabels 412 über eine Rolle 417 erzeugt. Signale oder Spannungen, die von der Untersuchungseinheit 410 erzeugt werden, können auf diese Weise an der Oberfläche oder an der Mündung des Bohrloches als Funktion der Tiefe gemessen und aufgezeichnet werden. Die aufgezeichneten oder gemessenen Änderungen der Signale werden benutzt, um bei der Bestimmung des Charakters der von Bohrloch durchstoßenen Formationen behilflich zu sein.
Bei dem dargestellten System bildet ein länglicher, magnetischer Spulenkern 420 mit einer darauf befindlichen Wicklung 421 einen Teil der Untersuchungseinheit. Die Wicklung 42I der Spule 420 ist an einen Brückenstromkreis 422 angeschlossen und bildet einen Zweig desselben. Der Brückenstromkreis kann als Maxwell-LC-Brücke gekennzeichnet werden, bei der eine zu messende Induktanz in einem Zweig liegt, der sich gegenüber einem Zweig mit einem Widerstand und einem Kondensator im Nebenschluß dazu befindet, In Fig. I3 ist die Spule 420, die mit den umgebenden Formationen elektromagnetisch gekoppelt wird, in einem Zweig a der Brücke 422 enthalten, während die Widerstands-Kapazitäts-Kombination den Zweig c bildet. Die Zweige b und d, im wesentlichen reine Widerstände, vervollständigen die Brücke. Eine Spannung von einer Wechselstromquelle 424 wird durch Transformator 425 der Diagonale der Brücke zugeführt, die den Enden der Zweige a und b gemeinsam ist. Der Brückenausgangsstrom wird auf der senkrechten Diagonale abgenommen, die Verbindung der Zweige a und b ist geerdet, und die Verbindung der Zweige c und d ist durch eine Leitung im Kabel 412 mit dem Stromkreis des Ermittlungsgeräts 4I3 verbunden.
Auf diese Weise wird ein Signal entsprechend einer Unbalanz der Brücke zur Oberfläche geleitet.
Bei elektrischer Bohrlochuntersuchung mit einem solchen System wurde gefunden, daß Veränderungen in der Temperatur beim Übergang der Spule 420 von einer zur anderen Tiefe oder von einer zur anderen Formation Ausgangssignale der Brücke 422 erzeugen, die nicht direkt von den Eigenschaften der Formationen abhängen, deren Untersuchung gewünscht wird. Der Widerstand der Leitung 42I ändert sich gewöhnlich als Funktion der Temperatur. Gleichfalls kann die Permeabilität des Kernmaterials durch Temperaturänderungen beeinflußt werden. Jede dieser oder beide Wirkungen erzeugen unerwünschte elektrische Impedanzänderungen und infolgedessen Ausgangssignale des Brückenstromkreises.
Um solche fremden - und unerwünschten Änderungen auszuschalten, werden temperaturausgleichende Mittel im Zweig a der Brücke 422 vorgesehen, um den übrigen Teil des Brückenstromkreises unempfindlich gegen Temperatur zu machen. Wie schematisch in Fig. I3 dargestellt, ist ein längliches Widerstandselement 430 innerhalb der Spule 420 vorgesehen, und zwar vorzugsweise in der ganzen Länge derselben. Auf diese Weise sind die Spule 420 und das Widerstandselement 430 zusammen den gleichen Temperaturänderungen unterworfen. Da der Kern der Spule 420 massiv ist und also beträchtliche thermische Trägheit hat, wird die Anordnung des Widerstandes 430 im Kern selbst bewirken, daß die Temperatur des Widerstandes 430 den Temperaturänderungen des Bohrloches ebenso genau folgt, wie dies die Spule tut.
Das Widerstandselement 430 bildet einen Teil des Zweiges b der Brücke422. Wie weiter unten gezeigt wird, erzeugt eine Widerstandsänderung im Zweig b eine Unbalanz der Brücke entgegen der Unbalanz, die durch thermisch beeinflußte Änderungen im Induktanz- und Widerstands wert des Zweiges a hervorgerufen wird. Wird also ein solcher Kompensationswiderstand in der Untersuchungseinheit 410 verwendet, so sind die an der Oberflächeneinheit 413 ermittelten Signale nur von der zu untersuchenden Eigenschaften der Formationen selbst abhängig und nicht mehr von den Bohrlochtemperaturen.
In Fig. I4 ist ein schematisches Diagramm des Brückenstromkreises 422 dargestellt, wobei die Wicklung La die Induktanz der Spule 420 und Ra den Widerstand der Wicklung darstellt. Die in Reihe geschalteten Widerstandselemente Rb' bilden den Zweig b der Brücke 422. Die Elemente Rc und Cc sowie Rd entsprechen den verbleibenden Zweigen. Hieraus ist zu entnehmen, daß die Induktanz La durch folgende Gleichung wiedergegeben werden kann: La = RG CG (RD + Rb) (2) Entsprechend wird der Widerstand Ra bestimmt durch folgende Gleichung: Ra = Ra (Rb + RM) (3) R0 (vgl. Prinziples of Electricity von P a g e and Adams, D. Van Nostrand Company, Inc., veröffentlicht Juni I94I, S. 48I, Gleichungen 120 bis I22). Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, daß Änderungen in der Induktanz La durch entsprechende Änderungen von jeweils Rd, Cc oder Rb kompensiert werden können. Änderungen von R2 können gleichfalls durch Änderung von Rd, Rc oder Rt, kompensiert werden. Gemäß der Erfindung bildet wenigstens ein Teil des Widerstandes im Zweig b, d. h. Rt, den länglichen Widerstand 430 der Fig. 13. Das Verhältnis von Rt zu Rb, kann so gewählt werden, daß für ein gegebenes Material des Widerstandes 430 oder Rbl die Wirkung im Brückenstromkreis bezüglich einer Erhöhung der Impedanz im Zweig b als Funktion der Temperatur genau gleich und entgegengesetzt der Wirkung bezüglich einer Erhöhung der Impedanz des Zweiges a für die gleiche Funktion der Temperatur ist.
Es sind ferner gemäß der Erfindung Mittel zur thermischen Abschirmung oder Isolation des verbleibenden Teils der Brücke vorgesehen, d. h. des Teils, der innerhalb der gestrichelten Linie 435 der Fig. I4. liegt, so daß nur die Spule 420 und der Widerstand 430 Temperaturwirkungen unterworfen sind. Obwohl andere Mittel benutzt werden können, wurde es als geeignet gefunden, die Elemente Rt, RC und Cc und Rd in einer Vakuumzelle oder einem luftleeren Gehäuse unterzubringen, wobei Temperaturänderungen dieser Elemente vernachlässigbar sind. Ein solches System ist eingehender in Fig. I6 dargestellt. Hier ist die Spule 420 mit ihrer Wicklung 421 in einem nichtmagnetischen Rohr 436 aus Isolierstoff untergebracht. Gummiringe437 und 438 umgeben den Kern der Spule 420 an Stellen außerhalb der WiClslUEg 421 und dienen als Puffer gegen- seitliche Stöße. Ein Ring oder Scheibe 439 polstert das untere Ende des Kerns ab. Bei dieser Montage wird einBrummen infolge von Beanspruchung der Bleche des Kerns 420 verhindert.
Der Kern besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Blechen aus magnetischem Stoff von bester Qualität und ist dargestellt in dem vergrößerten Schnitt4209 der Fig. I6. Der Kompensationswiderstand 430 ist in einer zentralen, sich durch den Kern erstreckenden Bohrung 420a angeordnet. Der Widerstand selbst, dargestellt in Fig. 17, besteht aus einer Mehrzahl von Drahtwindungen, die zu einem länglichen, bifilaren Element zusammengefaltet sind. Der in der vergrößerten Ansicht der Fig. I7 dargestellte Widerstand 430 erstreckt sich vorzugsweise im wesentlichen über die ganze Länge der Bleche des Kerns der Spule 420. Der Widerstand 430 kann in der Bohrung 420a fest montiert sein, indem er beispielsweise in einem Wachs von hohem Schmelzpunkt eingehettet wird.
In dieser Weise montiert, wird der Widerstand genau den Temperaturänderungen des Kerns 420 folgen, wobei der Vorteil der thermischen Trägheit des massiven Kerns ausgenutzt wird, um geringe Änderungen in der Temperatur des Bohrloches ausgleichen und den Bereich, innerhalb dessen Kompensation erforderlich ist, zu reduzieren.
Leitungen 440 und 441 erstrecken sich von der Wicklung 421 durch eine Öffnung 442 in einem Gehäuse 443 aus rostfreiem Stahl oder anderem nichtmagnetischem Stoff nach oben, das in das obere Ende des nichtmagnetischen Rohres 436 eingeschraubt ist. Ferner erstreckt sich eine Leitung 44 von dem Kompensationswiderstand 430 durch die Öffnung 442 nach oben, während die zweite Leitung 45 mit der Leitung 440 verbunden, einen Eckpunkt des Brückenstromkreises bildet.
Eine Hülle 448, die so ausgeführt sein kann, wie sie gewöhnlich bei Thermosflaschen in Benutzung sind. befindet sich innerhalb des Gehäuses 443 und ist durch die Gummischeibe 450 und die Ringe 45 I stoßfrei gelagert. Die innerhalb der gestrichelten Linie der Fig. 14 enthaltenen Elemente werden in dieser thermischen Isolationshülle 448 eingeschlossen und in ein Ölbad oder eine andere korrosionshindernde Flüssigkeit, wie z. B. silicone, eingetaucht. Die Hülle 448 wird dann mit Wachs verschlossen, so daß die eingeschlossenen Elemente im wesentlichen von Temperaturänderungen unbeeinflußt und gegen diese isoliert sind.
Vier Leiter 453 führen zum und vom Brückenstromkreis und sind mit einem Kontaktstöpsel 454 v erklemmt. In das obere Ende des rostfreien Stahlgehäuses 443 ist ein Verstärkergehäuse 455 eingeschraubt, das einen Verstärker 456 enthält, der eine Kontaktdose 457 an seinem unteren Ende hat, in die der Stöpsel 454 eingesteckt werden kann.
Die von der Oberfläche zum Verstärker 456 führenden Leitungen sind in gleicher Weise durch einen Kontaktstöpsel und eine Dose 458 am oberen Ende des Verstärkers 456 angeschlossen.
In dieser Weise ist die Untersuchungseinheit mit der temperaturempfindlichen Spule als Teil des Untersuchungsbrückenstromkreises temperaturkompensiert, indem das Widerstandselement in enger Wärmeaustauschbeziehung mit der Spule steht und so den Temperaturänderungen des Bohrloches ausgesetzt ist. Wenn die Spule mit einem Kernmaterial ausgerüstet ist, dessen magnetische Permeabilität sich mit der Temperatur vergrößert, so muß der Kompensationswiderstand aus einem Widerstandsdraht gefertigt werden, der einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Es ist zu bemerken, daß die Verluste in einer Spule, die durch Temperatur bewirkt werden, aus dem Verlust im Kern selbst und dem Verlust in der Kupferwicklung der Spule bestehen. Wenn der Nettoverlust im Kern und der Wicklung mit steigender Temperatur im Bohrloch abnimmt, so kann es notwendig werden, einen Temperatur-Kompensations-Widerstand in Reihe mit dem Zweig a der Brücke einzuschalten. Es ist jedoch gewöhnlich möglich, die Kupferverluste in der Spule ungefähr gleich den Kernverlusten zu machen. Die Kernverluste nehmen mit steigender Temperatur ab, während die Kupferverluste in der Wicklung bei einem positiven Temperaturkoeffizienten derselben bei steigender Temperatur ansteigen. Wenn dies der Fall ist gleicht der Kompensationswiderstand Rb' der Fig. 14 jede Anderung in der Permeabilität des Kerns der Spule aus, wenn sich die Temperatur der Umgebung ändert. In jedem Fall und für jede Spule hängen die Größe des kompensierenden Widerstandselements und seine Eigenschaften zusammen von der Eigenschaft der zu kompensierenden Spule ab. Geeignete Widerstandswerte können durch einen Fachmann empirisch ermittelt werden.
Das Verfahren für eine solche Ermittlung wurde in mehreren Fällen so ausgeführt, daß die Spule in ein Flüssigkeitsbad von geregelter veränderlicher Temperatur eingehängt wurde. Es wurde dann die Unbalanz der Brücke als Funktion der Temperatur aufgenommen. Darauf wurden ausgewählte Kompensationswiderstände in den Brückenstromkreis, und zwar in den Zweig neben der Spule eingeschaltet und zusammen mit der Spule in das Bad von veränderlicher Temperatur eingebracht. Eine zweite Meßreihe der Unbalanz der Brücke wurde dann als Funktion der Temperatur aufgenommen.
Drei Versuche dieser empirischen Art wurden im allgemeinen als ausreichend gefunden, um einen befriedigenden Widerstandswert zur Kompensation des Brückenstromkreises bei dem erforderlichen Temperaturbereich zu erhalten.
Als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung, mit dem keine Beschränkung- ausgesprochen werden soll, kann eine in der folgenden Weise gebaute Spule angegeben werden, die als temperaturkompensiert gefunden wurde. Der Kern 420 bestand aus Blech eines hochgradig magnetischen Stoffes von o,I25 mm Dicke. Der Kern war 525 mm lang und ungefähr 50 mm im Durch messer. Die Bohrung 420a war 4,6 mm im Durchmesser und erstreckte sich in Längsrichtung in der Mittelachse des Kerns 420. Die Wicklung 42I bestand aus ungefähr 700 Windungen lackierten Kupferdrahtes Nr. 20 und erstreckte sich über 300 mm in Längsrichtung symmetrisch zum Kern.
Die Induktanz des Kerns betrug 66,5 Millihenry und hatte einen Wechselstromwiderstand von 8,2 Ohm bei IOOO Perioden/Sek. mit einem Gleichstromwiderstand von 3,77 Ohm. Der Kompensationswiderstand hatte einen Widerstandswert von 68,2 Ohm bei 200 C und bestand aus einer Mehrzahl von Schleifen aus lackiertem Kupferdraht Nr. 38 von im wesentlichen gleicher Länge wie der Kern und wurde in der 4,6-mm-Bohrung 420a im Kern montiert.
Die so gebaute Untersuchungsspule wurde in einem System benutzt, dessen weitere Elemente folgende Werte hatten: Der Widerstand Rb (der zusammen mit dem KompensationswiderstandRb, den Zweig b der Brücke 422 in Eig. I3 bildet) war 377,2 Ohm groß, Rd war 500 Ohm, Rc war 32500 Ohm und Cc war 0,3 Mikrofarad groß. Die Brücke wurde mit einer Frequenz von IOOO Perioden betrieben und wurde im wesentlichen als verlustfrei gefunden und ergab eine Anderung von o im Ausgangssignal als Funktion von Temperaturen in den anzutreffenden Bereichen.
Einzelbeschreibung der Mehrfachfrequenzanordnung (Fig. I8, I9, 20, 21 und 22) In Fig. 18 ist eine Induktanzspulenanordnung 510 dargestellt, die sich in einem Bohrloch 5II neben einer Erdformation 512 befindet, wobei die letztere sich gerade unter einer Erdformation 5I3 mit von der ersteren verschiedenen elektrischen Eigenschaften befindet. Leitungen 5I4 und 515 erstrecken sich von der Wicklung 5Iob nach oben.
Die Windungen der Wicklung 5Iob legen sich gegen eine Isolierung 5 10a' die die Windungen der Wicklung 51 ot von einem Kern 5 10c aus einem Stoff von hoher Permeabilität trennt, der aus Stoffen ausgewählt ist, die für magnetische Kerne bei den der Spule 5Io zugeführten Frequenzen geeignet sind. Eisenpulver ist ein geeigneter Stoff für den Kern. Ein Kern aus einem Stoff von hoher Permeabilität vergrößert den magnetischen Fluß durch die Spulenanordnung 5Io und die Erdschicht 5I2 und vergrößert die Empfindlichkeit für äußere Änderungen, d. h. Änderungen in der die Spule 510 umgebenden Schicht 5I2, weil der Kern sec praktisch alle Reluktanz innerhalb der Spule 510 beseitigt und damit nur die Reluktanz des äußeren Weges durch die Schicht 5I2 verbleibt.
Die Wicklung 5Iob ist verhältnismäßig lang im Vergleich zum Durchmesser des Bohrlochs, damit der davon ausgehende Stromfluß in dem umgeben--den Medium oder der Erdformation so breit wie möglich ist. Dieser Stromfluß ist schematisch in Fig. I8 als eine Sekundärwicklung 5I6 mit einer einzigen Windung wiedergegeben, die einen in Reihe geschalteten Widerstand 5I7 hat. Wegen der Länge des Stromflusses und der Art des Stromes, der in den umgebenden Erdformationen fließt, wird der äquivalente Sekundärwiderstand 5I7 mit den Veränderungen der Leitfähigkeit derselben merklich schwanken. In gleicher Weise wird wegen der Reluktanz des magnetischen Weges durch die Schicht 512 ein Wechsel in der Reaktanz der Wicklung 5 1ob mit den Änderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit der Schicht 5I2 eintreten, wodurch eine induktive, rückwirkende Komponente der Impedanz der Wicklung hinzugefügt wird.
Durch Speisung der Leitungen 514 und 515 mit Wechselströmen von im wesentlichen verschiedener Frequenz, von denen eine ein Mehrfaches der anderen ist, oder die nicht harmonisch aufeinander abgestimmt sind, wird eine wesentliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Messung des Widerstandes und der Aufnahmefähigkeit der Erdformationen erreicht Die Gründe für diese verbesserte Arbeitsweise sollen nunmehr an Hand einer Analyse der Gleichungen für die Impedanz, gesehen in der Primärwicklung eines Transformators, entwickelt werden. In Fig. 18 ist die Wicklung 5 Iot die Primärwicklung, und eine äquivalente Sekundärwicklung ist dargestellt durch die Wicklung 516 mit Einzelwindung. Die Belastung von Wicklung 51 Ot infolge ihrer Kopplung mit den umgebenden Erdformationen ist als Widerstand 5I7 wiedergegeben, der in Reihe mit der Wicklung 5I6 liegt.
Dieser Transformatorstromkreis kann schematisch wie in Fig. 19 dargestellt werden, wo eg = äquivalente Generatorspannung der Speisewicklung 5Iob, R,1 = innerer Widerstand des Generators plus dem Widerstand der Leitungen 5I4 und 5I5 und der Wicklung 5Iob, X,1 = jwL, die induktive Reaktanz der Wicklung 5 Iot, Z12 = gegenseitige Impedanz zwischen Primär- und Sekundärwicklung, X22 = jmL22 die induktive Reaktanz der Wicklung 516, R22 = Widerstandsbelastung der Erdformation, reduziert auf den sekundären Widerstand 5I7, I1 = Primärstrom und 12 = äquivalenter Sekundärstrom in der Wicklung 5I6 und im Widerstand 5I7 ist.
Die Wirkung der magnetischen Aufnahmefähigkeit einer umgebenden Erdformation geht primär auf die Induktanz L der Primärwicklung 5Iob. Die Gleichung für diese Beziehung hat folgende Form: L = I 25 N2P X 10-8 Henry, (4) wobei N = Zahl der Windungen ist und P = Permeanz des magnetischen Weges in Spule 510 und dem umgebenden Medium, eine Funktion der ma- genetischen Aufnahmefähigkeit und der magnetischen Flußwege.
Da X11 = jcoLll, wobei j = ein mathematisches Arbeitssymbol zur Anzeige der go0 Phasenbeziehung, (,; = 2mal Frequenz und L11 = Primärinduktanz ist, kann X11 ungefähr ausgedrückt werden als Xtl = j 1 25 N2P X 10-8 Reaktanz Ohm. (5) Während der absolute Wert von X,, etwas von dieser Gleichung abweichen kann, liegt die wichtige Tatsache darin, daß er sich linear mit der Permeanz P ändert und demgemäß sich linear mit der Aufnahmefähigkeit ändert.
Die Wirkung der elektrischen Leitfähigkeit des umgebenden Mediums geht primär auf die äquivalente Sekundärspule 516 und den Widerstand 517.
Die Gleichung für den äquivalenten Transformator hat folgende allgemeine Form: wobei Z22 = R22 + iX22 ist.
In dem speziellen Fall einer Spule in einem Stromkreis mit Metall in ihrem magnetischen Feld wird Z12 gleich -jcoM sein, wobei M = gegenseitige Induktanz ist. Dann ist bei Einsatz für Z1° und Z«M2 in Gleichung (6) Durch Umwandlung und Vereinfachung des zweiten Werts der Gleichung (7) wird erhalten Zum Zweck einer darstellenden Analyse wird der Widerstandswert R11 ignoriert, weil R11 vornehmlich der Widerstand der Brücke 520 in Fig. 19 ist und durch die Bewegung der Einheit 510 im Bohrloch nicht beeinflußt wird. Wird R11 weggelassen. so ergibt sich Änderungen von X11 hängen, wie bereits gezeigt, primär von der magnetischen Permeanz und mithin von der magnetischen Aufnahmefähigkeit des Stoffes im magnetischen Flußweg ab.
Im Falle der Wicklung 5 1ob ist R2 der Widerstand 517 und L22 die Induktanz der Widdung 516.
Mithin werden Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit R22 nach der Beziehung verändert. Da die Induktanz L22 der Spule 516 sehr gering ist, so kann der Faktor (oil22)2 bei Audiofrequenzen ignoriert werden. Dies erlaubt einen angenäherten Ausdruck für die induzierte Widerstandskomponente wie aus dem erkennbar ist, daß die induzierte Widerstandskomponente sich mit der Frequenz direkt im Quadrat und umgekehrt mit dem Wert des Widerstandes 5I7 ändert. Daher vergrößert die Verwendung einer höheren Frequenz zur Messung der Wirkungen in der Wicklung 5mob, die durch Anderungen der elektrischen Leitfähigkeit induziert sind, die Aufnahmefähigkeit für diese Änderungen - mit einem Faktor, der gleich dem Quadrat der Frequenzvergrößerung ist.
Da die Induktanz L22 der Spule 5I6 sehr klein ist, kann die induzierte Reaktanz entsprechend dem dritten Wert der Gleichung (9), nämlich vernachlässigt werden.
Nachdem nunmehr die Grundtheorie für die Erfindung auseinandergesetzt wurde, wird das in Fig. 20 dargestellte Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.
Die Wicklung 5 Iot befindet sich im Bohrloch 511 und ist ziemlich lang im Vergleich zum Durchmesser des Bohrloches 511. Um das Ansprechen auf die Widerstandsveränderungen der Erdformationen zu erhöhen, wird die Windung 5IOb mit einem Wechselstrom von hoher Frequenz gespeist, z. B. von der Größenordnung IOOOO Perioden/Sek.
Es kann irgendeine geeignete Stromquelle 549 mit einer solchen hohen Frequenz benutzt werden. Die Speisung der Wicklung 5Iob erfolgt über eine Brücke 520. Es wird ferner ein Wechselstrom von niedriger Frequenz ebenfalls in die Wicklung 5 Iot geschickt, um die Impedanzänderung zur Messung der Aufnahmefähigkeit zu erzeugen. Es kann irgendeine geeignete Stromquelle 548 von niedriger Frequenz benutzt werden, um die Wicklung 5Iol über die Brücke 520 zu speisen. Durch Benutzung verschiedener Frequenzen wird eine größere Unterscheidung der Impedanzänderungen erhalten mit größerer Trennmöglichkeit für die Messung der beiden Komponenten, nämlich der in Phase liegenden Komponente der Io ooo-Perioden-Spannung für den Widerstand und der außer Phase liegenden Komponente der Iooo-Perioden-Spannung für die Aufnahmefähigkeit. Wie aus der Gleichung (5) ersichtlich ist, entsteht ein geringer Verlust an Empfindlichkeit durch die Verwendung des Niederfrequenzstromes zum Messen der Aufnahmefähigkeit, da die Frequenz nur in der ersten Potenz erscheint. Mithin wird gemäß der Erfindung überall eine maximale Empfindlichkeit für die gleichzeitige Messung von Widerstand und Aufnahmefähigkeit durch die Verwendung von zwei Wechselströmen mit verschiedener Frequenz erreicht, wobei die höhere Frequenz für die Widerstandsmessung zur Anzeige der Leitfähigkeit benutzt wird.
Die Speisung der Wicklung 5 Iot erfolgt über den Brückenstromkreis 520 in der Art einer Wheatstoneschen Brücke. Diese Brücke kommt zur Unbalanz gemäß den Änderungen in der Leitfähikeit und der Aufnahmefälhzi,gkeit der Erdformationen.
Wenn die Brücke sich in Unbalanz befindet, gelangt die niedrige Frequenz von IOOO Perioden über ein Filter 522 zu einem Verstärker 523, wohei die höhere Frequenz ausgeschlossen wird. Die Ausgangsleistung des Verstärkers 523 wird einem phasenempfindlichen, frequenzselektiven Ermittlungsgerät 524 über den Transformator 524d zugeführt. Obwohl für den Fachmann die Verwendung irgendeines geeigneten Ermittlungsgerätes möglich ist, ist hier ein Gerät von einer Art dargestellt, bei der die Spannung mit der niedrigen Frequenz von IOOO Perioden über Filter 525 zu einem Phasenschieber 526 geführt wird und dort durch eine Diagonale oder zu den mittleren Abgreifern des Ermittlungsgerätes 524. Der Phasenschieber 526 wird so eingestellt, bis die in das Ermittlungsgerät 524 gelangende Spannung mit der um go0 verschobenen Komponente der Spannung in Phase liegt, die mittels der Sekundärwicklung des Transformators 524d zugeführt wird. Die go0 phasenverschobene Komponente der Iooo-Perioden-Spannung, die durch Transformator 524o von der Brücke 520 aus zugeführt wird, ändert sich mit der Aufnahmefähigkeit der Erdformationen und der entsprechenden Unbalanz der Brücke 520. Mithin erzeugen die Gleichrichter 524a und 524b des Ermittlungsgerätes über den Ausgangs- oder Belastungswiderstand 524e eine gleichgerichtete oder Gleichstromausgangsleistung, deren Größe proportional zu der induzierten rückwirkenden Komponente ist, die die Impedanz der Wicklung 5IOb ändert und die Unbalanz der Brücke herbeiführt.
Wie bereits erläutert, ändert sich diese rückwirkende Komponente mit der Aufnahmefähigkeit, und mithin kann die Ausgangsseite des Ermittlungsgerätes direkt mit einer Anzeige- und/oder Registriereinrichtung verbunden werden oder, wie hier gezeigt, mittels eines Verstärkers 545 mit einer Registriereinrichtung 530. Der Registrierstreifen der Registriereinrichtung 530 arbeitet mit zwei Schreibstiften zusammen, wobei der erste auf dem Streifen eine Kurve 530s der Änderung der Aufnahmefähigkeit und der andere eine Kurve 53°c der Änderung der Leitfähigkeit in den Erdformationen aufzeichnet. Die Art und Weise wie der letztere Schreibstift angetrieben wird, ist in der folgenden Beschreibung erläutert. Der Registrierstreifen wird in Abhängigkeit von der Lage der Wicklung 5Iob im Bohrloch angetrieben, um die beiden gewünschten Größen als Funktion der Tiefe aufzuzeichnen.
Wenn sich die Brücke in Unbalanz befindet, so gelangt zum Verstärker 532 über das Filter 53' der Wechselstrom von IOOOO Perioden, wobei das Filter 53I den Iooo-Perioden-Strom zurückhält.
Die Ausgangsleistung des Verstärkers 532 wird auf das Ermittlungsgerät 533 geleitet, das im Aufbau und in der Wirkungsweise dem Ermittlungsgerät 524 entspricht. Es enthält Gleichrichter 533a und 533b, einen Ausgangswiderstand 533c und eine Zuführung von Wechselstrom von 10000 Perioden durch Filter 534 und Phasenschieber 535. Da das Ermittlungsgerät 533 auf die Widerstandskomponente ansprechen soll, ist der Phasenschieber 535 so eingestellt, daß die zugeführte Spannung zwischen den mittleren Abgreifern mit der in Phase liegenden Komponente der Spannung in Phase liegt, die durch die Sekundärwicklung des Transformators 533d dem Ermittlungsgerät 533 zugeführt wird. Mithin wird eine Ausgangsleistung erzeugt, deren Größe sich mit der induzierten Widerstandskomponente der Wicklung 5 Iot ändert, die ihrerseits von der Leitfähigkeit der Erdformation abhängt, mit der die Wicklung induktiv gekoppelt ist.
Obwohl der Ausgang des Ermittlungsgerätes 533 direkt mit einer Anzeige- und/oder Registriereinrichtung verbunden werden kann, ist hier vorgesehen, daß die Ausgangsspannung einem Verstärker 546 zugeleitet wird, um den Schreibstift zu betätigen, der die Kurve 530e in der Registriereinrichtung aufzeichnet, und zwar als Darstellung der Änderung der Leitfähigkeit in den Erdformationen als Funktion der Tiefe des Bohrloches 511.
Bei dieser Beschreibung der Wirkungsweise wurde stillschweigend - angenommen, daß der Brückenstromkreis 520 vorher auf richtige Wirkungsweise eingestellt wurde. Das Ausbalancieren der Brücke 520 ist verhältnismäßig leicht durch saubere Einstellung der Werte des regulierbaren Widerstandes 520t und des regulierbaren Kondensators 520c zu erhalten. Mit der Induktanzspule 5 in, frei in Luft aufgehängt, wird die Brücke 520 auf ein Minimum, ungefähr o, bei Ausgang für beide Spannungen, nämlich die Hochfrequenz- und die Niederfrequenzspannung, ausgeglichen. Dies erfordert eine Einstellung sowohl des Widerstandes 520b als auch des Kondensators 520c, um die Widerstands- und Rückwirkungskomponenten der Brücke auszugleichen.
Nachdem die Brücke 520 ausgeglichen ist, werden die Phasenschieber 526 und 535 eingestellt, und zwar der eine für die 900 phasenverschobene und der andere für die In-Phase-Messung. Es wird dann um die Wicklung 5Ioo, und zwar dicht gekoppelt damit, eine zwei- oder drei fach gewundene Leitungsschleife geschoben, die einen in Reihe geschalteten Widerstand hat, dessen Widerstandswert im Vergleich mit der Reaktanz der Leiterschleife hoch ist. Eine solche Belastung induziert eine Widerstandskomponente in der Impedanz der Wicklung 5 Iot und entwickelt ein in Phase liegendes Unbalanzsignal aus der Brücke 520. Der Phasenschieber 535 wird dann auf das maximale aus dem Ermittlungsgerät 533 kommende Gleichstromsignal und der Phasenschieber 526 wird auf das minimale aus dem Ermittlungsgerät 524 kommende Gleichstromsignal eingestellt. Zur Durchführung einer Kontrolle und zur Sicherung einer genauen Einstellung wird ein Kondensator statt des Widerstandes vorgesehen, der in Reihe mit der zwei- oder dreifach gewundenen Leiterschleife aus Kupferdraht liegt. Dieser Kondensator soll bei der geringen Frequenz eine Reaktanz haben, die ungefähr gleich der Größe des Ohmwertes vom Widerstand ist, an dessen Stelle er eingeschaltet wird.
Eine solche Belastung induziert in der Impedanz der Wicklung 51 Ot eine rückwirkende Komponente und entwickelt ein außer Phase liegendes Unbalanzsignal aus der Brücke 520. Der Phasenschieber 535 wird dann auf das minimale aus dem Ermittlungsgerät 533 kommende Gleichstromsignal und der Phasenschieber 526 auf das minimale aus dem Ermittlungsgerät 524 kommende Gleichstromsignal eingestellt. Es wird nur eine kleine oder keine Nacheinstellung bei dieser rückwirkenden Unbalanz erforderlich werden, nachdem die Widerstandsunbalanz eingestellt worden ist. Die zwei- oder dreifach gewundene Leiterschleife. wird dann entfernt, und das System ist nunmehr fertig eingestellt zum Gebrauch in der bereits beschriebenen Weise, um mit hoher Genauigkeit die Leitfähigkeit und Aufnahmefähigkeit der Erdformationen zu messen.
Das Kabel 547 enthält vorzugsweise ein Zugglied zur Aufhängung und Bewegung der Untersuchungseinheit in dem Bohrloch II. Das schematisch in Fig. 20 unter dem Teilstück des Kabels 547 dargestellte Gerät ist dicht zusammengebaut, so daß es sich mit der Spulenanordnung 510 als Einheit bewegt, wobei nur sechs Leitungen bei dieser Ausführungsform der Erfindung nötig sind.
Die Frequenzen von IOOO und IOOOO Perioden sind nur als empfehlenswert erwähnt und bedeuten keine Beschränkung der Erfindung, da auch viele andere Frequenzen verwendet werden können. In Verbindung mit der Erfindung ist jedoch ein weites Auseinanderliegen der verwendeten Frequenzwerte vorteilhaft. Die einfache Größentrennung wie IOOO Perioden zu IOOOO Perioden verhindert eine gegenseitige Fehlspeisung zwischen den Ermittlungsgeräten 524 und 533 durch die beiden Größen. Dies ist wichtig, weil die in Phase befindliche und die go0 phasenverschobene Komponente der entsprechenden Frequenz sich jeweils mit der Leitfähigkeit und der Aufnahmefähigkeit der Erdformation ändert. Es wird jedoch eine selektive und unproportionale Änderung der Ausgangsleistung der Ermittlungsgeräte 524 und 523 vorhanden sein. Zum Beispiel kann angenommen werden, daß das Verhältnis der Leitfähigkeit der unteren Erdformation 512 zur Leitfähigkeit der oberen Erdformation 513 gleich dem Verhältnis der Aufnahmefähigkeit der oberen Formation 5I3 zur Aufnahmefähigkeit der unteren Formation 5I2 ist.
Wenn die Wicklung 5 lO aus einer Stellung in der unteren Erdformation 5I2 in eine Stellung innerhalb der oberen Erdformation 513 gelangt, wird natürlich in der Ausgangsleistung der Brücke 520 eine Änderung erzeugt. Wenn nach den Werten der Gleichung (9) nur die vorangehenden Änderungen betrachtet werden, so wird die go0 phasenverschobene Komponente der Unbalanz am Ausgang des Ermittlungsgerätes 520 zehnmal größer sein als die go0 phasenverschobene Komponente am Ermittlungsgerät 533, vorausgesetzt, daß dieselben Übertragungsverhältnisse in beiden Kanälen vorliegen. In gleicher Weise wird die in Phase liegende Komponente des Ermittlungsgerätes 533 hundertmal größer sein als die in Phase liegende Komponente des Ermittlungsgerätes 524.
Dies wird voll ersichtlich durch ein nochmaliges Zurückkommen auf die Gleichung (9), wo die Leitfähigkeitswirkung ausgedrückt wird durch den Wert der proportional zum Quadrat der Frequenz ist, während die Aufnahmefähigkeitswirkung proportional zur ersten Potenz der Frequenz (Wert j X11 der Gleichung) ist.
Das Ausmaß, in welchem die Brücke 520 ausgeglichen werden kann, und das 4er Leichtigkeit der Einstellung auf beste Ausgeglichenheit derselben sind abhängig von der Annäherung der Komponenten an reine Induktanz-, Kapazitäts- und Widerstandselemente. Obwohl mit der Anordnung der Fig. Is bis 20 eine befriedigende Wirkungsweise erhalten werden kann, ist eine optimale Wirkungsweise mit der Ausführung der Erfindung gemäß den Fig. 2I und 22 erreichbar.
In Fig. 21 ist eine Induktanzspulenanordnung 52I dargestellt, die sich in einem Bohrloch 511 neben einer Erdformation 512 befindet, wobei diese gerade unter einer Erdformation 513 mit abweichenden elektrischen Eigenschaften liegt. Die Spule 52I ist eine zweilagig gewickelte Spule, deren Wicklung 52Ia für die niedrige Frequenz und deren Wicklung 52Ib für die höhere Frequenz bestimmt ist. Von der Wicklung 52Ia erstrecken sich Leitungen 55I und 552 nach oben, und von der Wicklung 52Ih führen Leitungen 553 und 554 nach oben. Die Wicklung 521a ist von verhältnismäßig kurzer Länge und großem Durchmesser und liegt ungefähr, in Längsrichtung gesehen, in der Mitte der längeren Wicklung 52Ib, die einen geringeren Wicklungsdurchmesser und eine Länge hat, die nicht über das Achtfache des Bohrlochdurchmessers hinausgeht. Die Wid:lung 521 a wird getragen und von der Wicklung 521t isoliert durch den Teil 521, während die Wicklung 521t durch die Spulenhülse 52Ig getragen und isoliert ist. Der Kern 52If besteht aus einem Stoff von hoher magnetischer Permeabilität, der ausgewählt aus Stoffen ist, die für magnetische Kerne bei den der Spule 52I zugeführten Frequenzen geeignet sind. Eisenpulver, Ferrit und Eisenstreifen in feiner Lamellenform, angeordnet parallel zur Achse der Spule 52 I, sind ein typisch geeignetes Material für den Kern 52If. Wie bei der Induktanzspulenanordnung 510 festgestellt, erhöht dieser Kern aus einem Material von hoher Permeabilität den magnetischen Fluß in dem Stoff, der die Spule 52I umgibt, und konzentriert auch die meisten der Reluktanzänderungen in den magnetischen Wegen des die Spule 52I umgebenden Stoffes. Diese Flußvergrößerung und die Konzentration der Reluktanzänderungen in dem umgebenden Stoff erhöht ihrerseits die Empfindlichkeit der Induktanzspulenanordnung 52I für äußere Änderungen.
Die Wicklung 52Ia ist so bemessen, daß sie ein maximales Verhältnis von Induktanz zu Widerstand entsprechend den Wicklungsdimensionen ergibt. Mit anderen Worten wird der Q-Wert der Wicklung 52Ia groß gemacht und liegt vorzugsweise bei seinem Maximum. Die Wicklung 52Ia, die von größerem Durchmesser und kürzer als die Spule 520b ist, wird weniger Verlustfluß haben und daher für magnetische Gegensätze in dem umgebenden Medium empfindlicher sein. Obwohl die Wicklung 52Ia viel kürzer als die Wicklung 52Ib ist, ist die Zahl der Windungen in der Wicklung 521a viel größer als in der Windung 52 lt.
Diese Ausbildung wird gewählt, um die Brückenzweigimpedan'z in beiden Brücken 520 und 520a ungefähr gleich zu machen. Die Brückenzweigimpedanz, im allgemeinen in der Größenordnung von IOOO bis 5000 Ohm, ist ein Kompromiß zwischen der Benutzung höherer Impedanz bei kleinen Werten der Kondensatoren 520, und 520g gegenüber der Benutzung von hoher Impedanz, die einer kapazitiven Impedanzstreuung unterworfen ist, wodurch die Brücke in Unbalanz kommt.
Die Wicklung 52Ib ist verhältnismäßig lang im Vergleich zum Durchmesser des Bohrloches, damit der davon ausgehende Stromfluß in dem unigebenden Medium oder der Erdformation so breit wie möglich ist. Dieser Stromfluß ist schematisch in Fig. 21 als eine äquivalente Sekundärwicklung 52Ie mit einer einzigen Windung wiedergegeben.
Die Widerstandsbelastung, hervorgerufen durch die Leitfähigkeit des umgebenden Mediums, ist dargestellt durch einen äquivalenten, in Reihe liegenden Widerstand 52Id.
Obwohl der äquivalente Widerstand 52Id sich merklich mit den Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der die Spule 52I umgebenden Formation ändert, erscheint der volle Effekt dieser Änderungen nicht in den Leitungen 553 und 554, weil er auf diese durch die induktive Kopplung des äquivalenten Transformators übertragen werden muß, der die sekundäre Wicklung 52Ie und die Primärwicklung 52rb hat. Da der Kopplungskoeffizient zwischen diesen Wicklungen geringer als Ioo O/o ist, geht ein beträchtlicher Teil der Veränderungen im äquivalenten Widerstand 52Id an den Meßstromkreis verloren, der an die Leitungen 553 und 554 angeschlossen ist. Bei Prüfung des zweiten Wertes der Gleichung (g) ist zu erkennen, daß diese induzierte Widerstandskomponente sich mit dem Quadrat der verwendeten Frequenz ändert. Dementsprechend wird die Übertragung der Widerstandsänderungen vom äquivalenten Sekundärstromkreis auf die Primärwicklung 521t um so wirksamer, je höher die den Leitungen 553 und 554 zum Messen dieser Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit zugeführte Frequenz ist. Aus diesem Grunde wird der Wicklung 52Ib die höhere Frequenz zugeführt.
Die Gleichung (9) veranschaulicht die grundsätzlichen Impedanzbeziehungen für die beiden Induktanzspulen 510 und 521. Im Fall der zweifach gewundenen Induktanzspule 52I wird jedoch eine besondere Gleichung (9) benötigt, um die Impedanzbeziehungen für jede Widdung 521a und 52Io zu veranschaulichen. Für die Wicklung 521a ist der erste WertjX11 der wichtige Wert insoweit, als er die primäre Reaktanz ausdrückt, die sich mit den Veränderungen in der primären Induktanz verändert, wenn sich die magnetische Aufnahmefähigkeit der umgebenden Erdformation ändert. Das vom zweiten Wert abhängige Signal wird durch die phasenempfindliche Wicklung des Ermittlungsgerätes 524 ausgeschaltet, während der dritte Wert wegen des sehr geringen Wertes der Induktanz L22 für die äquivalente sekundäre Leiterschleife 521, ignoriert werden kann.
Für die Wicklung 521t veranschaulicht der zweite Wert die wichtige Änderung in der Impedanz der Windungen 52Ib, die zum Messen der Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit benutzt wird. Änderungen in der primären Induktanz der Wicklung 52Ib, die durch den ersten Wert jXtl ausgedrückt ist, liegen außer Phase und sind ausgewählt durch das phasenempfindliche Ermittlungsgerät 533, während wieder der dritte Wert wegen des sehr geringen Wertes von L22 vernachlässigt werden kann.
Nachdem. also gezeigt worden ist, daß die gleiche Grundtheorie für die zweifach gewundene Induktanzspulenanordnung zutrifft, wird nunmehr die Anordnung nach Fig. 22 im einzelnen beschrieben. Die Induktanzspulenanordnung 521 ist schematisch wiedergegeben, wobei die Windung 52Ia gezeigt wird, wie sie mehr durch die Änderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit des Weges, der die Wicklung 52Ia umgibt, beeinflußt ist als durch die Veränderungen in der elektrischen Leitfähigkeit des äquivalenten Sekundärstromkreises, der aus der äquivalenten Wicklung 52Ie und dem äquivalenten Widerstand S21d besteht. Die Wicklung 52Io ist schematisch so wiedergegeben, daß sie von der Transformatorbeziehung zur äquivalenten Sekundärwicklung 52Ie und äquivalentem Sekundärwiderstand 52Id mehr beeinflußt wird als durch die Veränderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit des umgebenden Stoffes. Um das Ansprechen auf die Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der umgebenden Erdformationen zu steigern, wird die Wicklung 52Iu mit Wechselstrom von hoher Frequenz wie beispielsweise IO OOO Perioden gespeist.
Irgendeine Stromquelle 549 mit solcher hohen Frequenz kann benutzt werden. Sie wird an die Wicklung 521t über eine Brücke 520a angeschlossen. Durch die Benutzung getrennter Frequenzen für das Messen der Änderungen entsprechend der magnetischen Aufnahmefähigkeit und der Änderungen entsprechend den Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit wird eine bessere Zerlegung der beiden Änderungen mit geringer gegenseitiger Störung zwischen den Änderungen erreicht. Durch die Benutzung von getrennten Brücken 520 und S20a wird eine größere Leichtigkeit bei der Eichung des Systems erreicht, da jede Brücke nur für eine einzige Frequenz ausgeglichen zu werden braucht. Ferner kann jede Brücke für eine maximale Empfindlichkeit und Genauigkeit eingerichtet werden, wenn sie mit der besonderen Wicklung der Induktanzspule 521 benutzt wird, die das Signal einer besonderen Phase und Frequenz als Anzeige der zu messenden Änderungen abgibt.
Wenn die Brücke 520 durch Änderung in der Impedanz der Wicklung 521a zur Unbalanz kommt, wird durch die Brücke 520 ein niederfrequentes Unbalanzsignal abgegeben. Das Filter 522 leitet dieses niederfrequente Signal zum Verstärker 523 und hält die Hochfrequenzspannung zurück. Die Ausgangsleistung des Verstärkers 523 wird zum phasenempfindlichen, frequenzselektiven Ermittlungsgerät 524 geleitet, wie dies in Verbindung mit Fig. 20 beschrieben wurde. Die aus der Niederfrequenzquelle 548 durch den Phasenschieber 526 zum Ermittlungsgerät 524 abgegebene Spannung wird durch den Phasenschieber 526 in Phase mit der 900 außer Phase liegenden Komponente der Spannung in Phase gebracht, die dem Ermittlungsgerät 524 durch Verstärker 525 zugeführt wird. Die wo'0' verschobene Komponente der niederfrequenten Ausgangsspannung der Brücke 520 ändert sich mit der Aufnahmefähigkeit der die Induktanzspule 52I umgebenden Erdformationen, und so ist die Gleichstromausgangsleistung des Ermittlungsgerätes 524 proportional zu den Änderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit der umgebenden Erdformationen, und zwar entsprechend dem Einfluß dieser Änderungen der magnetischen Aufnahmefähigkeit auf die Impedanz der Wicklung 521a. Der Ausgang des Ermittlungsgerätes 524 kann direkt mit einer Anzeige- und/oder Registriereinrichtung verbunden werden, oder, wie in Fig. 20 gezeigt, über einenVerstärker 545 mit einer Registriereinrichtung 530.
Wenn die Brücke 520a durch Änderungen in der Impedanz der Wicklung 52Ib zur Unbalanz kommt, wird von der Brücke 520a ein in Phase liegendes, hochfrequentes Unbalanzsignal abgegeben, das proportional zu den Impedanzänderungen in der Wicklung 521t und den Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der die Induktanzspule 52I umgebenden Erdformationen ist.
Das Filter 531 leitet diese hochfrequente Ausgangsleistung von der Brücke 520a zu einem Verstärker 532 und schließt die niederfrequente Spannung aus. Die Ausgangsleistung des Verstärkers 532 wird zu einem Ermittlungsgerät 533 geleitet, das im Aufbau und in der Wirkungsweise dem Ermittlungsgerät 524 entspricht und das denselben Stromkreis hat wie das Ermittlungsgerät 533 in Fig. 20. Der Phasenschieber 535 leitet einige Spannung von der hochfrequenten Stromquelle 549 zum Ermittlungsgerät 533, wobei dieser Phasenschieber 535 so eingestellt ist, daß die zum Ermittlungsgerät 533 geleitete Spannung in Phase mit der In-Phase-Komponente der hochfrequenten Spannung aus der Brücke 520a liegt. Da diese in Phase liegende hochfrequente Spannung die Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der die Induktanzspule umgebenden Erdformationen und der daraus resultierenden Impedanzänderung in der Wicklung 521t wiedergibt, gibt das Ermittlungsgerät 533 eine Gleichstromausgangsleistung ab, deren Größe sich mit der induzierten Widerstandskomponente der Wicklung 521b ändert, die ihrerseits wieder von der Leitfähigkeit der Erdformationen abhängt, mit der die Wicklung induktiv gekoppelt ist.
Obwohl der Ausgang des Ermittlungsgerätes 533 direkt mit einer Anzeige- und/oder Registriereinrichtung verbunden sein kann, ist es möglich, ihn mit einem Verstärker zu verbinden, um einen Schreibstift zu betätigen, der dieKurve53oc in der Registriereinrichtung 530 aufzeichnet, wie es in Fig. 20 dargestellt ist. Wie im Zusammenhang mit Fig. 20 beschrieben, stellen die Kurven 53°s und S30c die in der Registriereinrichtung530 in Abhängigkeit von der Gleichstromausgangsleistung der Ermittlungsgeräte 524 und 533 aufgezeichnet werden, die Änderungen in der magnetischen Aufnahmefähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der die Induktanzspule umgebenden Erdformationen als Funktion der Lage der Spule in der Erde dar.
Bei der vorstehenden Beschreibung der Arbeitsweise der Einrichtung nach Fig. 22 wurde stillschweigend angenommen, daß die auszugleichenden Stromkreise 520 und 520a auf richtige Wirkungsweise eingestellt worden sind. Das Ausgleichen der Brücke 520 ist verhältnismäßig leicht durch genaue Einstellung der Werte des regulierbaren Widerstandes 520d und des regulierbaren Kondensators 520e zu erreichen. Die Brücke 520a wird in gleicher Weise ausgeglichen durch Einstellung der Werte des regulierbaren Widerstandes 520f und des regulierbaren Kondensators 520g.
Da die Wicklungen 521« und 521t gemeinsam mit dem magnetischen Kern 52If gekoppelt sind, ist es für den Fachmann klar, daß die Belastung. die die Wicklung 52Ia zwischen den Leitern 53I und 532 vorfindet, d. h. die Impedanz des Filters 522 in Reihe liegend mit dem Widerstand 520!, der Brücke 520 durch die Trausformatorwirkung in die Wicklung 52Ib reflektiert wird. In gleicher Weise wird die Belastung, die die Wicklung 52Io zwischen den Leitern 533 und 534 vorfindet, d. h. die Impedanz des Filters 53I, in Reihe liegend mit dem Widerstand 520 der Brücke 520a durch die Transformatorwirkung in die Wicklung 521« reflektiert. Demgemäß ist es höchst wünschenswert, daß beide Filter 522 und 53I diese Frequenzen abdrosseln, die nachteilig sind.
Die Anordnung nach Fig. 20, wobei Oszillatoren 548 und 549 die niederfrequenten und hochfrequenten Spannungen von der Erdoberfläche aus der Untersuchungseinheit im Bohrloch durch die Leitungen 542 und 543 zuführen, können nach Wunsch auch für die Ausführung nach Fig. 22 benutzt werden. Bei der dargestellten Anordnung ist jedoch vorgesehen, daß die Erzeugerquellen für die niederfrequente und die hochfrequente Spannung innerhalb der Untersuchungsbombe enthalten sind und die Leitungen 542 und 543 nur zur Speisung dieser Oszillatoren mit Kraftspannung dienen.
Bei in freier Luft aufgehängter Induktanzspule wird in der Induktanz der Wicklungen 521 « und 52Ib durch Anbringung einer zwei- oder dreifach gewundenen Leiterschleife aus Kupfer um die Induktanzspule 52I herum mit einem in Reihe geschalteten Widerstand, dessen Ohmwert hoch im Vergleich zur Reaktanz der Schleife bei der benutzten Frequenz ist, eine Widerstandskomponente erzeugt. Die Impedanz dieses Sekundärteils wird vorherrschend widerstandsmäßig sein, und mithin wird die Impedanzänderung, die in den Windungen der Induktanzspule induziert wird, ebenfalls vorherrschend widerstandsmäßig sein. Da diese Impedanzänderung die Brücke 520 und 520a in Unbalanz bringt, wird ein Ausgangssignal erscheinen. Der hochfrequente Teil des Signals aus der Brücke 520a geht durch das Filter 53I hindurch, wird durch den Verstärker 532 verstärkt und dem phasenempfindlichen Ermittlungsgerät 533 zugeführt. Da dies das in Phase liegende Signal ist, für das das Ermittlungsgerät 533 einen Gleichstrom abgeben soll, wird der Phasenschieber 535 so eingestellt, bis die Ausgangsleistung des Ermittlungsgeräts 533 ein Maximum ist.
Der niederfrequente Teil aus der Brücke 520 geht durch das Filter 522, wird durch den Verstärker 523 verstärkt und dem phasenempfindlichen Ermittlungsgerät 524 zugeführt. Da dieses niederfrequente Signal die in Phase liegende Komponente ist, soll das Ermilttlungsgerät 524 keinen Gleichstrom für diese Phase des Signals abgeben.
Demgemäß wird der Phasenschieber 536 so eingestellt, daß ein Minimum an Ausgangsleistung des Ermittlungsgeräts 524 vorliegt.
Ein um go'° phasenverschobenes Signal wird erzeugt, indem der Widerstand in der Leiterschleife durch eine Kapazität ersetzt wird. Der Kondensator soll eine Reaktanz haben, die ungefähr gleich dem Ohmwert des Widerstandes ist, den er ersetzt. Dieser Sekundärteil wird in den Windungen der Induktanzspule 52I eine Rückwirkungskomponente induzieren und verursacht das Erscheinen eines Unbalanzsignals am Ausgang der Brücken520 und 520au Dies ist das um go0' phasenverschobene Signal, das beim richtigen Meßvorgang eine Anderung in der magnetischen Aufnahmefähigkeit darstellt. Es ist festzustellen, daß das hochfrequente Signal, das dem Ermittlungsgerät 535 zugeführt wird, im wesentlichen außer Phase mit dem Signal liegt, das durch den Phasenschieber 535 zugeleitet wird, so daß eine kleine oder keine Einstellung des Phasenschiebers 535 benötigt wird, um ein Minimum an Gleichstromausgangsleistung am Ermittlungsgerät für diese um go' phasenverschobene Signalkomponente vorzusehen.
Phasenempfindliche Geräte 524 und 533 sind in der Technik bekannt. Ihre Arbeitsweise ist in dem Buch »Servomechanism Fundamentals« von Lauer, Lesnick und Matson (McGraw-Hill), S. 206 bis 209, beschrieben. Kurz erläutert umfaßt das Gerät 524 Gleichrichter 524a und 524t und den Ausgangswiderstand 524cm Die Gleichrichter sind gleichpolig zur Bezugsspannung geschaltet, die vom Transformator 524d geliefert wird, und entgegengesetzt zur Signalspannung durch den Ausgang des Phasenschiebers gepolt.
Die Wirkungsweise der Gleichrichter ist derart, daß der Gleichstromausgang durch Widerstand 524c proportional der Größe des Signals ist, das dem Transformator 524d zugeführt wird und in Phase mit der Bezugs spannung aus dem Phasenschieber 526 liegt.
Der Stromkreis des Geräts 533 ist im Aufbau und Wirkung gleich dem des Geräts 524. Der Gleichstromausgang durch Widerstand 533c ist proportional der Größe des Signals, das dem Transformator 533a zugeführt wird und in Phase mit der Bezugsspannung vom Phasenschieber 535 liegt.
Wenn die Grundeinstellungen der Phasenschieber 526 und 535 vorgenommen sind, wobei also die Induktanzspule 52I frei in der Luft aufgehängt wurde, ist die Bohrlochuntersuchungseinheit fertig zum Absenken in ein Bohrloch zur Untersuchung. Beim Einlassen in das Bohrloch wird die Induktanzspule 521 magnetisch mit den umgebenden Stoffen gekoppelt. Die Änderungen in ihrer Impedanz, hervorgerufen durch in der Spule induzierte Widerstands- und rückwirkende Komponenten infolge der Kopplung mit dem umgebenden Medium, werden getrennt, ermittelt und als Funktion der Lage der Untersuchungseinheit im Bohrloch aufgezeichnet.
Obwohl besondere Ausführungen der verschiedenen Gedankengänge der Erfindung dar gestellt und beschrieben wurden, können andere Ausführungen von Fachleuten vorgeschlagen werden.
Solche Abänderungen sollen im Rahmen der Ansprüche zum Schutzbereich des Patents gehören.

Claims

PATENTANSPRUCHE I. Verfahren zur Bodenuntersuchung durch Messung der Änderung der elektrischen Eigenschaften der von einem Bohrloch durchdrun- genen Erdschichten, dadurch gekennzeichnet, daß in das Bohrloch eine Spule eingeführt wird, die einen Zweig einer durch Wechselstrom erregten Brückenschaltung bildet und mit den das Bohrloch umgel>enden Erdschichter elektromagnetisch gekoppelt wird, wobei die Brücke proportional zu den Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Aufnahmefähigkeit der Erdschichten zur Unbalanz kommt und die von der Brücke ausgehenden Unbalanzsignale in zwei Komponenten getrennt werden, um durch Messung dieser Komponenten die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Aufnahmefähigkeit der von der Spule durchlaufenen Erdschichten gleichzeitig zu ermitteln.
2. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekeunzeichnet, daß eine in das Bohrloch eingeführte Untersuchungseinheit den mit Wechselspannung erregten Brückenstromkreis (20) mit einer länglichen Spule (25) in einem Zweig (24) enthält, die ein elektrisches Feld in den umgebenden Erdschichten erzeugt, und daß der Brückenstromkreis (20) an einen Meßstromkreis (50) angeschlossen ist, der signaltrennende Mittel zur Trennung der Komponenten hat.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstromkreis (50) phasenverschiebende Mittel enthält, die mit Bezug auf die Erregerspannung von niederer Frequenz die Unbalanzsignale aus dem Brückenstromkreis in eine in Phase und eine außer Phase liegende Komponente trennen.
4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstromkreis (50) zwei Stromkreise enthält, die an die Ausgangsdiagonale des Brückenstromkreises angeschlossen sind und denen die Komponenten der Unbalanzsignale entsprechend den Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Aufnahmefähigkeit der Erdschichten in Phasenverschiebung zueinander zugeführt werden, wobei die Erregerspannung beiden Stromkreisen des Meßstromkreises in gleicher Phase zugeleitet wird, so daß im einen Stromkreis des Meßstromkreises die Signalkomponente außer Phase und im anderen in Phase zur Erregerspannung liegt.
5. Anordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstromkreis (50) Verstärkermittel vorgesehen sind.
6. Anordnung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Ermittlungsstromkreis der phasenverschiebende Kreis zwischen den Verstärkermitteln und einem der phasenempfindlichen Kreise liegt, um diesem das-Unbalanzsignal um 900 phasenverschoben zum Signal. das zum anderen Kreis gelangt, zuzuführen, und daß die Zuführung des Bezugssignals ebenfalls über Verstärkermittel erfolgt, wobei diese Verstärkermittel einen zweiten phasenverschiebenden Kreis zur Einstellung des Phasenwinkels zwischen dem Bezugssignal und dem Unbalanzsignal enthalten.
7. Anordnung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Meßstromkreis eine Registriereinrichtung (60) zur Aufzeichnung der ermittelten Werte geschaltet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (6I,62) vorgesehen sind, um die Signale in der Registriereinrichtung als Funktion der Tiefe der Spule (25) aufzuzeichnen.
9. Anordnung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maxwell-Brücke vorgesehen ist, die mit einer Stromquelle für audiofrequente Signale zur Erregung der Brücke verbunden ist.
IO. Anordnung nach Anspruch 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinheit den Brückenstromkreis mit der Induktanzspule (25) enthält, wobei die Spule von der Untersuchungseinheit mechanisch gehalten ist.
II. Anordnung nach Anspruch 2 bis IO, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanzspule (25) eine Länge von wenigstens sechsmal dem Bohrlochdurchmesser hat.
I2. Anordnung nach Anspruch 2 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanzspule einen geringen Reluktanzwert hat.
13. Anordnung nach Anspruch 2 bis I2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit einer elektrostatischen Abschirmung umgeben ist, die eine elektrostatische Kopplung mit den umgebenden Formationen verhindert, jedoch die elektromagnetische Kopplung zuläßt.
14. Anordnung nach Anspruch 2 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke neben dem Zweig mit der Spule eine geerdete Klemme hat und die elektrostatische Abschirmung an diese geerdete Klemme angeschlossen ist.
15. Anordnung nach Anspruch 2 bis I4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Abschirmung aus einer Mehrzahl von Leitern (233, 234) besteht, deren Länge wenigstens gleich der axialen Länge der Wicklung der Spule (25) ist und die in gleichem Abstand um die Peripherie der Spule herum mit ihren Achsen parallel zur Längsrichtung der Spule liegen.
I6. Anordnung nach Anspruch 2 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule einen länglichen Kern von geringer Permeabilität hat, der sich durch die Windungen der Spule erstreckt und einen Flußweg von niedriger Reluktanz ergibt.
17. Anordnung nach Anspruch 2 bis I6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringleiter (235) nach A.rt eines Sprengringes den Kern der Spule an einem Ende derselben umgibt, der mit der geerdeten Ausgangsklemme der Brücke verbunden ist und an den die Leiter (233,234) der elektrostatischen Abschirmung angeschlossen sind.
I8. Anordnung nach Anspruch 2 bis I6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule von einem auf im wesentlichen gleichen Potential befindlichen Träger umgeben ist, wobei ein fester Erdkontakt (328«) an der Erdoberfläche vorgesehen ist und eine Leitung von geringem Widerstand den Erdkontakt, die Brückenausgangsklemme am Zweig mit der Spule und den Träger verbindet, um diesen auf dem Potential des umgebenden Mediums zu halten.
19. Anordnung nach Anspruch 2 bis I8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mehrlagig gewickelt ist und die Klemme der äußeren Wicklung mit der Ausgangsklemme der Brücke verbunden ist, die durch den Erdkontakt an der Erdoberfläche geerdet ist, wodurch die äußere Wicklung als elektrostatische Abschirmung wirkt.
20. Anordnung nach Anspruch 2 bis I9, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Wicklungslagen der Spule gleichmäßig gewunden sind und die äußere Lage schraubenförmig über die inneren Lagen gewunden ist, vorzugsweise nach einer Schraubenlinie mit großer Steigung.
21. Anordnung nach Anspruch 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit der Spule ein Widerstand (430) vorgesehen ist, der mit dieser der Bohrlochtemperatur ausgesetzt wird und mit dem Brückenstromkreis verbunden ist, um Impedanzänderungen durch Temperaturschwankungen auszugleichen.
22 Anordnung nach Anspruch 2 bis 2I, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturempfindliche Widerstand wenigstens einen Teil des Zweigs der Brücke bildet, der sich neben dem Zweig mit der Spule befindet.
23. Anordnung nach Anspruch 2 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß sich der temperaturempfindliche Widerstand (430) innerhalb der Spule befindet.
24. Anordnung nach Anspruch 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Brücken stromkreises mit Ausnahme der Spule und des temperaturempfindliehen Widerstandes in einer thermisch isolierten Hülle (448) liegen.
25. Anordnung nach Anspruch 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch isolierte Hülle (448) ein Gefäß nach Art einer Thermosflasche ist.
26. Anordnung nach Anspruch 2 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturempfindliche Widerstand in einer Längsbohrung entlang der Achse des Kerns der Spule liegt, vorzugsweise in ganzer Länge des Kerns.
27. Anordnung nach Anspruch 2 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Spule ein beträchtliches Wärmeträgheitsvermögen hat.
28. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Brückenstromkreises mit der Spule durch Spannungen verschiedener Frequenz erfolgt, derart, daß zur Messung der Leitfähigkeit und der Aufnahmefähigkeit das Unbalanzsignal in einer Komponente mit einer Frequenz und in der anderen Komponente mit der anderen Frequenz ermittelt und gemessen wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen weit auseinanderliegen, beispielsweise IOOO zu IooooPerioden.
30. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß hinter die Brücke zwei Filter (523, 532) geschaltet sind, die jeweils ein Signal mit der einen Frequenz aussieben.
31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß hinter jedes Filter ein Ermittlungsgerät für jede Signalkomponente geschaltet ist.
32. Anordnung nach Anspruch 30 und 31, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ermittlungsgerät (524, 533) phasenempfindliche Mittel enthält, um einerseits die eine in Phase liegende Komponente des Unbalanzsignals der höheren Frequenz und andererseits die um go° phasenverschobene Komponente des Unbalanzsignals der niederen Frequenz zu messen, wobei die erste Komponente den Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit und die zweite Komponente den Änderungen der Aufnahmefähigkeit der Formationen entspricht, und die jeweils verbleibenden Komponenten von geringerer Größenordnung sind.
33. Anordnung nach Anspruch 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit der Brücke und den Ermittlungsgeräten zusammen in einem torpedoförmigen Gehäuse (Bombe) angeordnet sind.
34. Anordnung nach Anspruch 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine Hochfrequenz- und eine Niederfrequenzwicklunghat.
35. Anordnung nach Anspruch 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß für die hoch- und die niederfrequente Spannung je ein Brückenstromkreis vorgesehen ist.
36. Anordnung nach Anspruch 30 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß für die hoch- und die niederfrequente Spannung je eine Spule bzw. Spulenwicklung vorgesehen ist, wobei die Spule des Hochfrequenzteils in der Länge ein Mehrfaches ihres Durchmessers ist, während die Spule des Niederfrequenzteils in ihrer Länge ungefähr dem Durchmesser der ersten Spule entspricht.