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Vorrichtung zur Ermittlung des elektrischen Widerstandes von Frdformationen,
die ein Bohrloch umgeben Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung
des elektrischen Widerstandes von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, das
von einer leitenden Flüssigkeit gefüllt ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Geräten zu elektrischen
Bohrlochuntersuchungen gesteuerte elektrische Felder zu benutzen, um den innerhalb
eines Bohrloches von einer Elektrode ausgehenden Strom im wesentlichen auf eine
senkrechte zur Bohrlochwand gerichtete Bahn zu begrenzen. Mit solchen Elektrodensystemen
wird der rechtwinklig zur Bohrlochwand gerichtete Stromverlauf über eine ausreichende
seitliche Entfernung von der Bohrlochwand aufrechterhalten, um zu erreichen, daß
derjenige Teil der Bahn des Stromes, der durch die etwa vorhandene Bohrlochflüssigkeit,
den Schlammkuchen auf der Bohrlochwand und die von der Bohrlochflüssigkeit durchsetzte
Zone verläuft, verhältnismäßig kurz ist gegenüber demjenigen Teil der Bahn, der
durch Material in verhältnismäßig großem Abstand von der Bohrlochwand verläuft.
Dadurch wird eine Beeinflussung der Meßergebnisse durch die Bohrlochflüssigkeit,
den Schlammkuchen und durch das verhältnismäßig dicht am Bohrloch liegende Ma terial
im wesentlichen ausgeschaltet. Untersuchungen, die dann durch Registrieren der Veränderungen
einer geeignet gewählten Potentialdifferenz in Verbindung mit dem Stromdurchfluß
durch die Formation ausgeführt werden, ergeben somit Widerstandswerte für Material,
das ia einem relativ großen seitlichen Abstand von der Wand des Bohrlochs liegt;
die Meßwerte können weitgehend sich dem wahren spezifischen Widerstand der vom Bohrloch
durchteuften Formationen nähern und lassen vornehmlich darauf schließen, ob die
Formation Öl oder Wasser führt.
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Es ist andererseits eine Vorrichtung bekanntgeworden, deren Elektrodensystem
in einem kissenartigen Träger angeordnet ist, der gegen die Seitenwand des Bohrlochs
gepreßt wird. Die Gruppierung auf einem solchen Träger setzt notwendigerweise kleine
Elektrodenabstände voraus, und der von der Messung erfaßte Formationsbereich erstreckt
sich sowohl bezüglich Dicke als auch bezüglich Abstand von der Bohrlochwand über
eine sehr kleine Zone.
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Vorrichtungen dieser Art sind denn auch bestimmt für die Messung des
Widerstandes einer mit Filtrat aus dem Bohrschlamm gefüllten Formation. Die Vorrichtung
mißt allerhöchstens um wenige Zentimeter tief in die Formation hinein, und die Meßergebnisse
ermöglichen, die Porosität bzw. das Porenvolumen der Formation zu bestimmen.
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Die Erfindung ist demgegenüber weder darauf ausgerichtet, den wahren
spezifischen Widerstand einer nicht von Bohrlochflüssigkeit durchsetzten Zone zu
bestimmen, noch vom Schlammkuchen beeinflußte Meßwerte über den Widerstand in vom
Schlammfiltrat durchsetzten Fonnationszonen zu liefern. Vielmehr ist die Erfindung
im wesentlichen auf eine vom Schlammkuchen wenig beeinflußte Messung des Formationswiderstandes
zwischen diesen beiden Zonen ausgerichtet. Dieser Widerstand kann als Widerstand
der vom Schlammfiltrat durchsetzten Zone definiert werden, die natürlich die überspülte
Zone enthält, ferner aber auch einen Teil der tiefer zurückliegenden Formationsbereiche,
die noch nicht vollständig von Schlammfiltrat überspült sind.
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Diese Messung ergibt nicht nur wertvolle Aufschlüsse bei der Bestimmung
von durchlässigen Formationen, sondern liefert zusätzlich Widerstandswerte, die
zusammen mit den Meßergebnissen über den wahren Formationswiderstand die Berechnung
der prozentualen Sättigung der Formation mit Öl bzw. mit Wasser ermöglichen.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Einrichtung und
erbringt darüber hinaus den Vorteil einer sicheren, insbesondere vom Schlamm unbeeinflußten
Anzeige. Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, die ausgestattet sind mit einem in
das Bohrloch absenkbaren Elektrodensystem, bestehend aus mehreren Elektroden, die
in Richtung der Bohrlochachse in festen Abständen zueinander angeordnet und mit
einer ersten, als Hauptstromelektrode dienenden Elektrode versehen sind, die einen
Strom in die Erdformation aussendet, der zu einer Elektrode zurückgeführt wird,
die sich an einer vom Elektrodensystem entfernten Stelle befindet. Eine Vorrichtung
dieser Art besitzt weiter ein Paar miteinander durch einen isolierten Leiter verbundene
Fokussierstromelektroden, die symmetrisch zur genannten Hauptstromelektrode angeordnet
und mit einem dem Hauptstrom phasengleichen Fokussierstrom so beschickt sind, daß
der Hauptstrom in die die Bohrlochwandung umgebenden Erdformationen praktisch senkrecht
eintritt, derart, daß der Potentialabfall in Achsrichtung des Bohrloches zwischen
der Hauptstromelektrode und den Fokussierstromelektroden mindestens weitgehend neutralisiert
ist. Mit Hilfe von zwei Paar Potentialelektroden, die unter sich parallel geschaltet
und symmetrisch zwischen der Hauptstromelektrode und den zwei Fokussierstromelektroden
angeordnet sind und deren Eingangsspannungen dem Eingang eines Verstärkers zugeleitet
sind, dessen Ausgangsstrom den Fokussierstromelektroden zugeführt wird, kann dann
die Größe des Fokussierstromes in einer solchen Weise geregelt werden, daß die Eingangsspannung
der Potentialelektroden zu Null wird. Ferner ist in Anordnungen der vorliegenden
Art eine Stromrückführelektrode vorhanden, die mit der Erdoberfläche in Kontakt
steht.
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Die wesentliche Ausgestaltung nach der Erfindung ist darin zu sehen,
daß bei einer Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art erfindungsgemäß die Elektrode
zur Rückführung des Stromes der stromaussendenden Elektroden außerhalb der Fokussierstromelektroden
und in einem solchen Abstand von der Hauptstromelektrode angeordnet ist, daß die
Eindringtiefe des Hauptstromes in die Erdformation, gerechnet in der durch die Hauptstromelektrode
gehenden waagerechten Ebene, durch die Größenordnung des Abstandes zwischen der
Elektrode für die Stromrückführung und der Hauptstromelektrode gegeben ist.
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Mit Hilfe der Erfindung kann insbesondere die Stromverteilung derart
beeinflußt werden, daß der Strom nur über eine vorbestimmte geringe Distanz in die
Formation eindringt, bevor er umbiegt, um zu der Stromrückführungselektrode zurückzukehren.
Es gelingt so, eine mit fokussiertem Strom herbeigeführte Anzeige zu erhalten, die
weitgehend unbeeinflußt ist vom leitenden Schlamm im Bohrloch, die andererseits
aber mit einer verhältnismäßig geringen Eindringtiefe der Untersuchung arbeitet,
und zwar auch bei einer Anordnung, bei der die Elektroden auf einem vollständig
vom Schlamm umgebenen Träger innerhalb des Bohrlochs angebracht sind.
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Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Einzelheiten und
Vorteile sind an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der
eine Anzahl von etwa punktförmigen Elektroden in das Bohrloch abgesenkt sind, um
Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit der Materialien in einer verhältnismäßig
nahe an dem Bohrloch liegenden Zone zu erhalten; Fig.2 ist ein Längsschnitt durch
ein typisches Elektrodensystem, das in der Vorrichtung nach F i g. 1 verwendet werden
kann; F i g. 2 A ist ein Querschnitt längs der Linie 2A-2A von Fig. 2; Fig. 2 B
ist eine Darstellung eines der an der Wand anliegenden Kissens, das das in Fig.
2 gezeigte Elektrodensystem enthält; Fig.3 ist eine schematische Darstellung der
an der Erdoberfläche vorzusehenden Vorrichtungsteile für eine abgeänderte Ausführungsform,
die gleichzeitige Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit der Materialien
in verhältnismäßig nahe und weit von der Wand des Bohrlochs liegenden Zonen ermöglicht;
Fig.4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren abgeänderten Ausführungsform,
die gleichzeitige Anzeigen einer Anzahl elektrischer Widerstandswerte ermöglicht;
F i g. 5 ist ein teilweiser Aufriß einer anderen Ausführungsform des Elektrodensystems,
das den Einfluß der Bohrlochflüssigkeit auf die beobachteten Anzeigen auf ein Minimum
herabsetzen kann; Fig. 6 ist ebenfalls ein Teil aufriß einer weiteren abgeänderten
Form des Elektrodensystems, und Fig.7 ist eine schematische Darstellung einer weiteren
Form des Elektrodensystems, bei dem verhältnismäßig lange Elektroden benutzt werden,
die für die in Fig. 1, 3 und 4 gezeigten Vorrichtungen Anwendung finden können.
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F i g. 1 zeigt ein Bohrloch 10, das durch Formationen 11 geht und
eine Säule verhältnismäßig leitfähiger Bohrflüssigkeit 12 enthält. In dem Bohrloch
10 ist ein Elektrodensystem 13 angeordnet, das aus einer Anzahl in der Längsrichtung
angeordneter, im wesentlichen punktförmiger Elektroden mit einem festen Abstand
voneinander besteht. Das Elektrodensystem 13 kann in irgendeiner üblichen Weise
durch das Bohrloch 10 geführt werden, z. B. mittels der üblichen Kombination von
elektrischem Kabel und Winde.
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Das Elektrodensystem 13 weist eine Anzahl Hauptstrom führender Elektroden
A0, Bl und B2 auf, wobei die beiden letzterwähnten Elektroden symmetrisch zu beiden
Seiten der ersterwähnten angeordnet sind. Die Elektroden Bt und B2 können zweckmäßig
durch einen isolierten Leiter 22 kurzgeschlossen sein.
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Die Elektrode Ao ist durch einen isolierten Leiter 16 mit einer Stromquelle
14 verbunden, deren zweiter Pol durch einen isolierten Leiter 20 mit dem Leiter
22 verbunden ist. Die Stromquelle 14 erzeugt vorzugsweise einen konstanten Strom,
so daß die gemäß der Erfindung vorgenommenen Potentialmessungen in bekannter Weise
unmittelbar in Einheiten der Widerstandsfähigkeit aufgezeichnet sein können.
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Zu diesem Zweck kann die Quelle 14 aus einem Wechselstromgenerator
15 und einer in Reihe dazu geschalteten hohen Impedanz 21 bestehen, obwohl gegebenenfalls
auch Gleichstrom verwendet werden kann.
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In der Nähe der Elektrode Ao und symmetrisch an deren beiden Seiten
befinden sich Elektrodenpaare
Ml, M1, und M2, M2,. Die Elektroden
M1 und M2 können zweckmäßig durch einen isolierten Leiter 23 und die Elektroden
M1, und M2' durch einen isolierten Leiter 24 kurzgeschlossen sein. Der Strom von
der Quellel4, der zwischen der Elektrode A0 und den Elektroden B1 und B2 fließt,
erzeugt eine Potentialdifferenz in der Bohrlochflüssigkeitl2 zwischen den Elektroden
M1 und M1, und zwischen den Elektroden M2 und M2', die durch die isolierten Leiter
17 und 18 auf die Eingangsklemmen 50 und 51 eines Verstärkers 25 geleitet wird.
Die Ausgangsklemme 52 des Verstärkers 25 ist durch einen isolierten Leiter 20 mit
den Elektroden B1 und B2 und die andere Ausgangsklemme 53 durch einen isolierten
Leiter 19 mit zwei Elektroden A1 und A2 verbunden, die zu beiden Seiten der Elektrodenpaare
Mt, M1, und M2, M2, angeordnet sind. Die Elektroden A1 und A2 können durch einen
isolierten Leiter 26 kurzgeschlossen sein.
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Die Verstärkervorrichtung 25, die z. B. als veränderlicher elektronischer
Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor oder als Servovorrichtung ausgebildet sein
kann, kann den Elektroden Al und A2 Strom von solcher Phase (oder Polarität) und
Amplitude zuführen, daß die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden M1 und M1,
und zwischen den Elektroden M2 und M2.' im wesentlichen bei Null gehalten wird.
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Dadurch, daß die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden M1 und
M1, und zwischen den Elektroden M2 und M2, im wesentlichen auf Null neutralisiert
wird, ist das Bohrloch tatsächlich an diesen Stellen elektrisch gesperrt, so daß
der Strom von der Hauptelektrode A0 gezwungen ist, in radialer Richtung im wesentlichen
rechtwinklig zur Achse des Bohrlochs 10 in die Formation zu fließen. Die Elektroden
A1 und A2 wirken somit als Fokussierstromelektroden.
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Gemäß der Erfindung ist der Abstand zwischen der Hauptstromelektrode
Ao und den einzelnen Elektroden für die Stromrückführung B1 und B2 so bemessen,
daß der Strom mit Sicherheit nicht weiter in die Formationen 11 eindringt. Die tatsächliche
Eindringungstiefe kann durch richtige Einstellung der Elektrodenabstände vorher
gewählt werden. Gewöhnlich ist der Abstand zwischen der Elektrode Ao und den einzelnen
Elektroden B1 und B2 geringer als der Wert, bei dem die Elektroden B1 und B2 als
in der elektrischen Unendlichkeit gegenüber der Elektrode A0 befindlich angesehen
werden können. In dieser Beziehung unterscheiden sich die Untersuchungssysteme nach
der Erfindung erheblich von den bekannten, bei denen der Raum zwischen den Stromelektroden
immer so groß wird, daß mindestens eine von ihnen als in der elektrischen Unendlichkeit
gegenüber der anderen befindlich angesehen werden kann.
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Bei einer praktischen Ausführungsform des Feldes waren die Elektrodenabstände
folgende: von der Mitte der Hauptstromelektrode A0 zum Mittelpunkt zwischen den
Potentialelektroden Mt und M1, 23 cm, zwischen den Mittelpunkten der Potentialelektroden
M1 und M1, 12,7 cm, zwischen den Mittelpunkten der Elektroden Ao und A1 40,7 cm
und zwischen den Mittelpunkten der Elektroden Ao und B1 101,5 cm.
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Die Elektroden M2, M2,, A2 und B2 waren symmetrisch zu beiden Seiten
der Elektrode Ao angeordnet.
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Bei diesen Abständen und im Bereich der Bohrloch-
und Formationswiderstandsfähigkeiten,
die in der Praxis gewöhnlich auftreten, dringt der zwischen den Elektroden A0 und
den Elektroden B1 und B2 hindurchgehende Strom nicht wesentlich weiter in die umgebenden
Formationen ein, als dem fünffachen Durchmesser des Bohrlochs 10 entspricht.
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Zur Durchführung der Messungen werden Potentialmessungen zwischen
einer Stelle mit Erdpotential und einer Stelle in der Nähe einer Lage in dem Bohrloch
vorgenommen, an der eine im wesentlichen bei Null liegende Potentialdifferenz aufrechterhalten
wird. In F i g. 1 ist eine Potentialmeßvorrichtung 27 von hoher Impedanz zwischen
die Elektroden M1, M2 und Erde 28 eingeschaltet. Die Meßvorrichtung 27 ist vorzugsweise
nach Einheiten der Widerstandsfähigkeit eingeteilt und vollführt eine fortlaufende
Widerstandsuntersuchung entsprechend der Tiefe des Elektrodensystems 13 in dem Bohrloch
10. Wenn das Elektrodensystem 13 durch das Bohrloch 10 bewegt wird, werden fortlaufende
Anzeigen des elektrischen Widerstandes der Erdmassen erhalten, die innerhalb eines
geringen seitlichen Abstandes vom Bohrloch 10 liegen. Diese Anzeigen sind im wesentlichen
unbeeinflußt von der Bohrlochflüssigkeit und von dem Vorhandensein von Schlammkuchen
an der Wand des Bohrlochs. Bei durchlässigen Schichten, in die Bohrlochflüssigkeit
eingedrungen ist, zeigen daher die erzielten Anzeigen die Widerstandsfähigkeit dieser
Zonen genauer. Bei den besonderen Elektrodenabständen, die oben als Beispiel angegeben
wurden, wird, wenn die Flüssigkeit um das Fünffache des Bohrlochdurchmessers oder
weiter in eine Zone eingedrungen ist, etwa die tatsächliche Widerstandsfähigkeit
dieser Zone angezeigt.
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Der Einfluß der Bohrlochflüssigkeit auf die erzielten Anzeigen kann
dadurch noch weiter vermindert werden, daß die Elektroden A,, M1, M2, M1 und M2,
in unmittelbarer Nähe der Bohrlochwand gehalten und von der unmittelbaren Berührung
mit der Flüssigkeit während des Untersuchungsvorganges isoliert werden, wie in Fig.
2, 2 A und 2B gezeigt.
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In F i g. 2 ist ein nichtleitender Träger 110 gezeigt, der mittels
eines elektrischen Kabels 33 durch das Bohrloch 10 bewegt werden kann und die Leiter
16, 17, 18, 19 und 20 (Fig. 1) enthält. Die Elektroden A1,A2,B1 und B2 sind an dem
Träger 110 in der gleichen Weise und mit im wesentlichen gleichen Abständen wie
in Fig. 1 angebracht, obwohl die Abstände gegebenenfalls auch verkleinert werden
können, wodurch die Eindringtiefe des Stromes ebenfalls verringert wird. Die Elektroden
A,, M1, M2, M1, und M2' haben eine kreisförmige Gestalt und werden in elektrischer
Berührung mit der Wand des Bohrlochs 10 gehalten, aber vor unmittelbarem Kontakt
mit der Bohrlochflüssigkeit 12 isoliert.
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Damit sich die Elektroden den Anderungen des Durchmessers des Bohrlochs
10 anpassen können, können die einzelnen Elektroden in eine Anzahl gebogener Teile
aufgeteilt sein, die alle an einem mechanisch getrennten, elektrisch isolierten
Kissen angebracht sind. So können beispielsweise vier Kissen 111, 112, 113 und 114
(Fig. 2A) aus nachgiebigem, elektrisch isolierendem Werkstoff, z. B.
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Gummi, getrennt voneinander mittels an dem Träger 110 befestigter
Federn 115, 116, 117 und 118 gegen die Wand des Bohrlochs 10 gedrückt werden.
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Wie in Fig. 2B gezeigt, kann jedes Kissen 111, 112, 113 und 114 mit
einer glatten, an der Wand anliegenden
Fläche versehen sein, in
die beispielsweise eine Anzahl von Vertiefungen 119, 120, 121, 122 und 123 eingearbeitet
oder eingegossen sind, die in einer senkrecht zur Achse des Bohrlochs 10 liegenden
Ebene verlaufen. In der Vertiefung 119 ist ein bogenförmiger Teil der Elektrode
Ao untergebracht, während die restlichen Vertiefungen 120, 121, 122 und 123 bogenförmige
Teile der Elektroden MX, M2, M1, und M2 enthalten. Die Elektrodenteile sind vorzugsweise
in die Vertiefungen 119 bis 123 eingelassen, um ein Reiben der Elektroden an der
Wand des Bohrlochs zu verhüten. Diese Elektrodenteile können z. B. aus schraubenförmig
gewundenem Nichromdraht hergestellt sein, so daß sie mit den Kissen 111 bis 114
gebogen werden können und eine große, freie elektrische Fläche aufweisen. Die einzelnen
bogenförmigen Teile, die eine besondere Elektrode (Ao in Fig. 2A) bilden, sind durch
isolierte Leiter 123 und 126 in Reihe geschaltet, so daß die einzelnen Elektoden
etwa kreisförmig sind.
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Wenn der Träger 110 mittels des elektrischen Kabels 33 durch das
Bohrloch 10 bewegt wird, passen sich die Oberflächen der Kissen 111 bis 114 der
Wand des Bohrlochs an, und die Elektroden A,, Ml, M2, M1, und M2, kommen in elektrischen
Kontakt mit der Wand des Bohrloches, sind aber gegen einen unmittelbaren elektrischen
Kontakt mit der Bohrlochflüssigkeit isoliert. Demzufolge werden Anzeigen der Widerstandsfähigkeit
der Massen in der Nähe des Bohrlochs 10 erzielt. Da für alle praktischen Zwecke
die Elektroden A,, Mt, M2, M1, und M2' nur mit der Wand des Bohrlochs in elektrischer
Verbindung stehen, werden diese Anzeigen durch die Widerstandsfähigkeit der Flüssigkeit
in dem Bohrloch nicht beeinflußt. Die elektrische Verbindung zwischen diesen Elektroden
und der Bohrlochflüssigkeit braucht jedoch nicht völlig unterbunden zu sein, da
die Wirkung des von der Elektrode Ao ausgehenden Stroms weitgehend gerichtet ist.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Ausrüstung an der Erdoberfläche
gezeigt, die für die in Fig. 1 und 2 dargestellten Elektrodensysteme zur gleichzeitigen
Erzielung von Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit des Materials in einer
Zone dicht an der Wand des Bohrlochs und in einer Zone in einem verhältnismäßig
großen Abstand von der Wand des Bohrlochs verwendet werden kann.
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In dieser Figur können die Leiter 16, 17, 18, 19 und 20 mit einem
Elektrodensystem der in F i g. 1 und 2 gezeigten Art, etwa in der gleichen Art wie
in Fig. 1 gezeigt, verbunden sein. In Reihe mit den einzelnen Leitern 16 bis 20
liegt je ein elektrischer Schalter 8, der fortlaufend mit einer verhältnismäßig
niedrigen Frequenz, z. B. 15 Perioden pro Sekunde, durch geeignete Mittel, wie einen
Elektromotor 54, auf zwei Stellungen umgeschaltet werden kann. Die konstante Stromquelle
ist ebenfalls als Gleichstromquelle dargestellt.
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Wenn sich die Schalter 8 in den in Fig. 3 in ausgezogenen Linien
gezeigten Stellungen befinden, ist das Elektrodensystem in der gleichen Weise, wie
in Fig. 1 gezeigt, angeschlossen, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen
elektrischen Elemente anzeigen. Demzufolge gibt die Meßvorrichtung 27 Anzeigen der
elektrischen Widerstandsfähigkeit des Materials in Zonen dicht an der Wand des Bohrlochs
10, wie oben im einzelnen beschrieben.
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Wenn sich die Schalter 8 in der in Fig. 3 in gestrichelten Linien
gezeigten Stellung befinden, sind die Eingangsklemmen 50 und 51 der Verstärkervorrichtung
25 von den Leitern 17 und 18 abgeschaltet, während die Ausgangsanschlüsse 52 und
53 des Verstärkers von den Leitern 20 und 19 getrennt sind.
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Um eine etwaige wesentliche Spannungsschwankung in den Eingangs- und
Ausgangsstromkreisen der Verstärkervorrichtung 25 während der Zeit zu verhindern,
in der diese Stromkreise geöffnet sind, können Kapazitäten 35 und 36 quer zu den
Eingangs-und Ausgangsstromkreisen eingeschaltet werden.
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Hierdurch kann die Verstärkervorrichtung 25 ihre degenerative Arbeit
immer sofort wieder aufnehmen, wenn sie in den Stromkreis der Elektrodenreihe zurückgeschaltet
wird.
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Während sich die Schalter 8 in der in gestrichelten Linien gezeigten
Stellung befinden, ist auch eine Klemme der konstanten Stromquelle 34 von dem Leiter
20 abgeschaltet und mit der Erde 37 an der Erdoberfläche verbunden. Ferner sind
die Leiter 17 und 18, die die zwischen den Elektroden Mj und M1' (Fig. 1) und zwischen
den Elektroden M2 und bestehende Potentialdifferenz aufnehmen, jetzt mit den Eingangsklemmen
55 und 56 einer Verstärkervorrichtung 38 verbunden, die gegebenenfalls der Verstärkervorrichtung
25 ähnlich sein kann. Die Ausgangsanschlüsse 57 und 58 der Verstärkervorrichtung
38 sind mit der Erde 37 und mit dem Leiter 19 verbunden, der zu den Elektroden A1
und A2 führt.
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Ein Umlegen der Schalter 8 in die in gestrichelten Linien gezeigten
Stellungen verbindet auch den Leiter 17 mit einem Pol einer Meßvorrichtung 39 mit
hoher Impedanz, deren anderer Pol an der Erdoberfläche geerdet ist. Das Instrument
39 zeigt die elektrische Widerstandsfähigkeit der Masse in Zonen an, die in einem
verhältnismäßig großen Abstand von der Wand des Bohrlochs 12 liegen. Wenn die Schalter
8 in ihre Anfangsstellungen zurückgebracht werden, werden die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
des Verstärkers 38 von den entsprechenden Leitern abgeschaltet. Demgemäß können
Kapazitäten 40 und 41, die zu den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen quergeschaltet
sind, vorgesehen sein, um die Eingangs- und Ausgangsspannungen der Verstärkervorrichtung
38 im wesentlichen konstant zu halten, während die Verstärkervorrichtung 38 von
dem System abgeschaltet ist. Wenn die Schalter 8 in ihre frühere Stellung zurückkehren,
gibt die Meßvorrichtung 27 wieder Anzeigen der Widerstandsfähigkeit der Materialien
in der Nähe des Bohrlochs 10.
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Bei der Arbeitsweise der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform wechseln
die Schalter 8 ständig ihre beiden Stellungen, wenn das Elektrodensystem durch das
Bohrloch bewegt wird. Wenn sich die Schalter in den Stellungen der ausgezogenen
Linien befinden, gibt die Meßvorrichtung 27 Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit
der Materialien in Zonen dicht an der Wand des Bohrlochs, und wenn sich die Schalter
8 in den Stellungen der gestrichtelten Linien befinden, gibt sie Anzeigen der elektrischen
Widerstandsfähigkeit der Materialien in Zonen, die in einem verhältnismäßig großen
Abstand von der Wand des Bohrschachtes liegen.
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Die Meßvorrichtungen 27 und 39 sollten vorzugsweise so träge sein,
daß sie etwa fortlaufende Anzeigen
geben, ungeachtet der augenblicklichen
Unterbrechungen durch die Schalter 8. Es können auch übliche Mittel zum Aussondern
der Wechselstromkomponenten an den Eingängen der Meßvorrichtungen vorgesehen sein.
Die Meßvorrichtungen 27 und 39 sind vorzugsweise dazu bestimmt, die Widerstandsfähigkeit
als Funktion der Tiefe des Elektrodensystems in dem Bohrloch aufzuzeichnen.
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Gleichzeitige Anzeigen der Widerstandsfähigkeit wie bei der Vorrichtung
nach Fig. 3 können auch mit der in F i g. 4 gezeigten abgeänderten Form erreicht
werden. Das hier nicht dargestellte Elektrodensystem kann die gleiche Form haben
wie das in F i g. 1 oder 2 gezeigte und ist mit elektrischen Leitern 16, 17, 18,
19 und 20 versehen, die sich zur Erdoberfläche erstrecken. Bei dieser Ausführungsform
ist jedoch eine Wechselstromquelle 42 von konstanter Stromstärke und einer Frequenz
f1 durch den Leiter 16 mit der Elektrode A0 und durch den Leiter 20 mit den Elektroden
B1 und B2 (F i g. 1 oder 2) verbunden. Ferner ist eine zweite Wechselstromquelle
von konstanter Stromstärke und einer Frequenz 12 mit der Erde 37 und der Hauptstromelektrode
A0 durch den Leiter 16 verbunden.
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Die Leiter 17 und 18, die die Potentialdifferenzen der Frequenzen
f1 und f, von den Elektroden M1 und Mj' aufnehmen, sind mit den. Eingängen der Verstärker
44 und 47 durch die Filter 45 und 48 verbunden, die dazu dienen, nur Ströme von
den Frequenzen fl und 12 hindurchzulassen. Der Ausgang des Verstärkers 44, der ein
Strom der Frequenz f1 ist, wird den Elektroden B1 und B2 durch den Leiter 20 und
den Elektroden Al und A2 durch den Leiter 19 zugeführt. Auf ähnliche Weise wird
der Ausgang des Verstärkers 47, der ein Strom der Frequenz 12 ist, den Elektroden
A, und A2 durch den Leiter 19 und der geerdeten Stelle 37 an der Erdoberfläche zugeführt.
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Die Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit erfolgen durch
eine Meßvorrichtung 27 mit gro-.ßer Impedanz, die mit der Erde und mit dem Leiter
17 durch einen Filter 46 verbunden ist, der nur Strom der Frequenz fi hindurchläßt,
und durch eine zweite Meßvorrichtung 39 mit .großer Impedanz, die mit der Erde und
mit dem Leiter 17 durch einen Filter 49 verbunden ist, der nur Strom der Frequenz
f2 hindurchläßt.
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Der Teil des Systems, der die Stromquelle.42+ den Verstärker 44 und
seinen Filter 45, die Meßvorrichtung27 und den Filter 46 und die damit verbundenen
Elektroden umfaßt, bildet ein elektrisches Untersuchungssystem der in F i g. 1 gezeigten
Art, und die Meßvorrichtung 27 gibt Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit
der Materialien in Zonen dicht an der Wand des Bohrlochs. Andererseits- bildet der
Teil des. Systems, der die. Quelle 43, den Verstärker 47 und seinen Filter 48, die
Meßvorrichtung 39 und den Filter 49 und die damit verbundenen Elektroden umfaßt,
ein elektrisches Untersuchungssystem, bei dem die Meßvorrichtung 39 gleichzeitige
Anzeigen der elektrischen Widerstandsfähigkeit der Materialien in Zonen gibt, die
in einem beträchtlichen Abstand von der Wand - des Bohrlochs liegen.
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Die Anzeigen, die mit elektrischen Untersuchungssystemen erzielt
werden, die Formen der in Fig. 3 und 4 gezeigten Eitichtungen in Verbindung mit
einem in F i g. 1 oder 2 gezeigten Elektrodensystem
haben, sind doppelt nützlich.
Erstens ermöglichen sie die Ermittlung der oben'angegebenen Werte der Widerstandsfähigkeit,
und zweitens ist es durch Registrieren der beiden Anzeigen innerhalb derselben graphischen
Darstellung möglich, die Lage der durchlässigen Formationen leicht zu bestimmen.
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Gegenüber undurchlässigen Formationen werden die beobachteten Anzeigen
etwa identisch sein, da die durch die Vorrichtungen 27 und 39 ausgemessenen Materialien
etwa die gleiche elektrische Widerstandsfähigkeit haben, da dort keine Flüssigkeit
eindringt.
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Gegenüber durchlässigen Formationen, die Eindringungszonen von wesentlich
anderer Widerstandsfähigkeit aufweisen als die nicht durchdrungenen Teile, werden
die beiden Mëßvorrichtungen 27 und 39 erheblich verschiedene Anzeigen ergeben, da
bei jeder eine anderei Tiefe untersucht wird. Auf diese Weise können die Grenzen
der durchlässigen Schichten genau bestimmt werden.
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In Fig. 5, 6 und 7 werden weitere abgeänderte Formen von ElektYodensystemen
gezeigt, die in Verbindung mit den elektrischen Stromkreisen nach Fig. 1, 3 und
4 verwendet werden können. In Fig,5 sind eine Hauptstromelektrode A0 und eine Anzahl
konzentrischer Elektroden M, M1 und A in die Vorderfläche eines Kispens 100 eingesetzt,
das ständig gegen die Wand des Bohrlochs gedrückt werden kann. Dieses Kissen weist
eine konzentrische Stromelektrode B1 auf, die in dem Kissen 100 außerhalb der anderen,Elektroden
angebracht ist.
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Wenn die Elektroden in dem Kissen 100 mit dem in F i g. i gezeigten
Stromkreis verbunden sAind und das Kissen 100 an der Wand des Bohrlochs entlanggleitet,
geht der Strom vor der Haupteluktrode A0 seitlich in die Formationen durch etwa
vorhandene Schlammkuchen hindurch. Gemäß der Erfindung geht der Strom von der Elektrode
A0 infolge der Nähe der. zur Stromrückführung dienenden Elektrode B nur ein kurzes;
Stück iry die Formationen hinein. Demzufolge gebe'ii'Me.ssungen mit der Meßvorrichtung
27 (Fig. 1) uater Verwendung deE in Fig. 5 gezeigten Elektrodensystems Anzeigen
der Widerstandsfähigkeit von Material ganz dicht an der Wand des BohriQshs. EiDe
ssolche Anordnung - ist wertvoll zur Ermittlung ~v~,on~AnzeigeyX über die Widerstandsfähigkeit
- äußerst flacher Eindringungszonen.
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Die Elektrode B (Fig.5) braucht nicht in ein Kissen 100 eingebettet
zu m, sondern könnte z. B. aus einem Metallring bestehen, der. um das Kissen herumgelegt
ist.
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In Fig. 6 ist ein Elektiddensystem. gezeigt, mit dem ähnliche Ergebnisse
wie mit dem in Fig. 5 gezeigten Elektrodensystem erzielt werden können, wenn sie
mit der in Fig.1 gezeigten elektrischen Schaltanordnung, verbuftden wird. In F i
g. 6 enthält das Kissen 101 jed6ch ein geringere Anzahl von Elektroden, die vorzugsweis,e
eine größere Oberfläche haben. Die Mittelelektrode 102 vereinigt die Funktionen
der Elektroden A4 und M (Fig. 5), die Elektrode 103 die Funktionen -der Elektroden
M' und A1 und die Elektrode 104 die Funktionen der Elektrode B. -Im Elektrodensystem
nach F i g. 7 sind eine Anzahl zylindrischer Elektroden 105, 106, 107; 108, 109
senkrecht längs der Achse des Bohrlochs angeordnet. Ein Elektrodensystem dieser
Art kann mit der elektrischen Schaltanordnungs nach F i g,1: verbunden
werden.
Die Mittelelektrode 105 ist dann mit den Leitern 16 und 17 verbunden. Die Elektroden
106 und 107 sind kurzgeschlossen und mit den Leitern 18 und 19 verbunden. Die Elektroden
108 und 109 sind kurzgeschlossen und mit dem Leiter 20 verbunden. Der von der Elektrode
105 ausgesendete Strom dringt somit etwa rechtwinklig zur Achse des Bohrlochs in
die Formationen ein. Infolge der Nähe der den Strom zurückführenden Elektroden 108
und 109 dringt der Strom nicht tief in die Wand des Bohrlochs ein. Daher ähneln
die Messungen mit einem solchen Elektrodensystem in Verbindung mit der Schaltanordnung
nach Fig. 1 denen, die mit dem Elektrodensystem nach F i g. 1 erhalten werden.
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Die Elektrodensysteme nach den F i g. 5, 6 und 7 können natürlich
auch zu gleichzeitigen Messungen der Widerstandsfähigkeit in zwei Untersuchungstiefen
benutzt werden, wenn beispielsweise die in F i g. 3 und 4 gezeigten elektrischen
Schaltanordnungen verwendet werden.
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Es können auch spontane Potentialmessungen erhalten werden, beispielsweise
durch Messen des Gleichstrompotentials an der Elektrode Mr gegenüber der Erde gleichzeitig
mit den Messungen der Wechselstromwiderstandsfähigkeit, die mit den in F i g. 1
und 4 gezeigten elektrischen Mitteln erzielt werden.
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Aus dem Gesagten geht hervor, daß die Erfindung neue und äußerst
wirksame elektrische Untersuchungsverfahren und Vorrichtungen dafür vorsieht, die
die Bestimmung der elektrischen Widerstandsfähigkeit von Erdmassen in einer oder
mehreren Zonen in verschiedenen seitlichen Tiefen von der Wand des Bohrlochs mit
größerer Genauigkeit als bisher ermöglichen.
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Die verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen können natürlich
im Rahmen der Erfindung abgeändert werden. Es kann beispielsweise in F i g. 3 der
Ausgang der Verstärkervortichtung 38 zwischen Erde 37 und die Elektroden Bt und
B2 oder zwischen Erde 37 und die Elektroden A1, j 4s7 ß und B2 geschaltet werden.
Auch dient die beschriebene' Vorrichtung, die die Elektroden in elektrischemSontakt
mit dem Bohrloch hält, nur zur Erläuterung, und es können auch andere geeignete
Mittel für diesen Zweck verwendet werden.
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Pateutansprüche: 1. Vorrichtung zur Ermittlung des elektrischen Widerstandes
von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, das von einer leitenden Flüssigkeit
gefüllt ist, ausgestattet mit einem in das Bohrloch absenkbaren Elektrodensystem,
bestehend aus mehreren Elektroden, die in Richtung der Bohrlochachse in festen Abständen
zueinander angeordnet sind, mit einer ersten, als Hauptstromelektrode dienenden
Elektrode, die einen Strom in die Erdformationen aussendet, welcher zu einer Elektrode
zurückgeführt wird, die sich an einer vom Elektrodensystem entfernten- Stelle befindet,
weiter mit einem Paar miteinander durch einen isolierten Leiter verbundener Fokussierstromelektroden
(zweite und drittewElektrode), die symmetrisch zur Hauptstromelektrode angeordnet
und mit einem dem Hauptstrom phasengleichen Fokussierstrom so beschickt sind, daß
der Hauptstrom in die die Bohrlochwandung
umgebenden Erdformationen praktisch senkrecht
eintritt, derart, daß der Potentialabfall in Achsrichtung des Bohrlochs zwischen
der Hauptstromelektrode und den Fokussierstromelektroden mindestens weitgehend neutralisiert
ist, weiter mit zwei Paar Potentialelektroden (vierte bis siebte Elektrode), die
unter sich parallel geschaltet und symmetrisch zwischen der Hauptstromelektrode
und den zwei Fokussierstromelektroden angeordnet sind und deren Eingangsspannungen
dem Eingang eines Verstärkers zugeleitet sind, dessen Ausgangsstrom den Fokussierstromelektroden
zugeführt wird zur selbsttätigen Regelung der Größe des Fokussierstromes in einer
solchen Weise, daß die Eingangsspannung der Potentialelektroden zu Null wird, sowie
mit einer (achten) Elektrode, die mit der Erdoberfläche in Kontakt steht, d a d
u r c h g e -kennzeichnet, daß die Elektrode (B,) zur Rückführung des Stromes der
stromaussendenden Elektroden (A,, A1, A2) außerhalb der Fokussierstromelektroden(A,,
A2) und in einem solchen Abstand von der Hauptstromelektrode (A,) angeordnet ist,
daß die Eindringtiefe des Hauptstromes in die Erdformation, gerechnet in der durch
die Hauptstromelektrode (Ao) gehenden waagerechten Ebene, durch die Größenordnung
des Abstandes zwischen der Elektrode (B1) für die Stromrückführung und der Hauptstromelektrode
(Ae) gegeben ist.