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Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes eines in einem Bohrloch befindlichen
Metallgegenstandes Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Feststellung des Ortes von Anomalien in einem Bohrloch, insbesondere zur Bestimmung
der Lage von in dem Bohrloch in Verlust geratenen Metallgegenständen.
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Bei der Erstellung von Erdbohrungen, insbesondere zum Zwecke der
Gewinnung von Erdöl, kommt es oft vor, daß Verrohrungsteile, Bohrschäfte, Werkzeuge
od. dgl., die in das Bohrloch herabgelassen werden, von dem Seil oder Gestänge losgerissen
werden und als unerwünschte Fremdkörper in dem Bohrloch verbleiben. Um sie mit Aussicht
auf Erfolg wieder herausholen zu können, ist es erwünscht, die genaue Lage ihres
Ortes im Bohrloch festzustellen.
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Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um den Ort
derartiger verlorener Metallgegenstände in dem Bohrloch festzustellen; keines derselben
arbeitete jedoch zufriedenstellend. Beispielsweise wurden elektronische oder elektrische
»Fischortungsgeräte« vorgeschlagen, die mit Widerstandsbestimmung oder mit ausgestrahlten
Wellen arbeiten. Bei der Auffindung eines im Bohrloch in Verlust geratenen Gegenstandes
(in der Fachsprache im allgemeinen als »Fisch« bezeichnet) ist es außerordentlich
wichtig, die Lage der Oberkante dieses Gegenstandes so genau wie möglich festzustellen,
da nur dann die Anwendung von Greif- oder »Angelgeräten« einen Erfolg verspricht.
Das Widerstandsverfahren hat den Nachteil, daß es eine breite Anzeige ergibt, welche
wohl das Vorhandensein eines »Fisches« anzeigt, jedoch nicht die genaue Lage der
Oberkante desselben erkennen läßt. Die elektromagnetischen Verfahren zeigen die
genaue Lage der Oberkante des »Fisches« nur dann an, wenn die Entfernung des »Fisches«
von der Elektrode sehr gering ist, bei besseren Instrumenten beispielsweise 45 cm
oder weniger. In der Praxis ist es daher in vielen Fällen nicht möglich, die Lage
der Oberkante des »Fisches« durch elektromagnetische Verfahren und Vorrichtungen
genau zu bestimmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu beheben
und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die die genaue Lage der
Oberkante eines »Fisches« bestimmt werden kann, auch wenn die in das Bohrloch herabgelassene
Meßsonde sich in verhältnismäßig großem Abstand von dem »Fisch« befindet. Darüber
hinaus sollen das Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung dieser Lage einfach,
billig und sicher sein. Es wird ferner verlangt, daß die Sonde an ihrer Außenseite
keine vorstehenden Teile oder Spulen enthält und vollkommen gekapselt ist.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird bereits eine Anzeige erhalten,
wenn die Sonde einen Abstand von 3,5 bis 4,5 m von dem »Fisch« hat.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung können auch
kleinere Metallteile, beispielsweise Konusstücke oder Teile derselben, gefunden
werden, die nach dem »Angeln« mit Fangkörben in der Bohrung verblieben sind.
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Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß ein Magnetfeld durch die
Anwesenheit eines oder mehrerer Metallgegenstände gestört wird. Ein bekanntes, von
diesem Prinzip Gebrauch machendes Verfahren verwendet eine Sonde mit einem von einer
Spule umgebenen Kern hoher Permeabilität, wobei die Spule an einen Oszillator angeschlossen
und mit Anzeigemitteln für eine von der Störung des Magnetfeldes, z. B. des Erdfeldes,
abhängige Änderung der Ausgangsfrequenz verbunden ist. Auch bei diesem Verfahren
lassen sich Metallgegenstände nur dann exakt lokalisieren, wenn die Spule sich in
großer Nähe des Metallgegenstandes befindet.
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Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß der
von der Spule umgebene Kern hoher Permeabilität in dem äußeren Magnetfeld eines
oder mehrerer mit der Sonde verbundener kräftiger Permanentmagnete angeordnet ist.
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Die an die Spule gelegte Wechselspannung erzeugt ein Magnetfeld,
welches den bis außerhalb der Sättiguag vormagnetisierten Kern - die Vormagnetisie-
rung
von Eisenkernen ist in der Technik an sich bekannt - periodisch in oder fast in
den Sättigungszustand treibt. Es genügt dann schon eine geringe Verzerrung des von
den Permanentmagneten gebildeten äußeren Magnetfeldes, um die Induktivität der Spule
zu beeinflussen. Diese Beeinflussung wird an der Erdoberfläche angezeigt oder gemessen
und ergibt daher ein Mittel zur Erkennung geringer Enden rungen oder Verzerrungen
des durch die Permanentmagnete erzeugten äußeren Magnetfeldes, die durch im Bohrloch
befindliche Metallgegenstände hervorgerufen werden, so daß die Lage der Oberkante
dieser Gegenstände bestimmt werden kann. Die Anzeige oder Messung an der Erdoberfläche
kann in irgendeiner geeigneten Weise erfolgen; vorzugsweise wird die Frequenz des
Oszillators durch eine zweite oder Überlagerungsfrequenz überlagert, wobei die Enden
rungen der Frequenz des Oszillatorkreises durch an sich bekannte Einrichtungen bestimmt
werden können.
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Der Kern wird in dem Bohrloch nach unten oder nach oben verschoben
und erzeugt ein äußeres Magnetfeld, das sich mit dem Kern verschiebt und an den
Kern angelegt wird, so daß die durch die Metallgegenstände bewirkten Verzerrungen
des äußeren Magnetfeldes das Gesamtfeld des Kerns verändern und dadurch die Induktivität
der Spule beeinflussen.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden vorzugsweise,
jedoch nicht notwendigerweise zur Bestimmung der Lage von Metallgegenständen benutzt,
die in einem Bohrloch in Verlust geraten sind. Die nachfolgende Beschreibung bezieht
sich auf diese Anwendung. Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung können
jedoch auch zur Bestimmung der Lage von Metallgegenständen Anwendung finden, die
sich an anderen Stellen als in einem Bohrloch befinden, und sie können auch für
andere Zwecke Verwendung finden.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand
der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht, teils im Schnitt, einer Sonde zur
Bestimmung der Lage von Metallgegenständen in einem Bohrloch; Fig. 2 ist eine ähnliche
Ansicht eines Teils einer abgeänderten Ausführungsform der Sonde; Fig. 3 ist eine
schematische Darstellung der Gesamtanordnung; Fig. 4 zeigt die Schaltung des Oszillators.
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Wie insbesondere aus Fig. 1 zu ersehen, enthält die Vorrichtung nach
der Erfindung eine Sonde 6 mit einem rohrartigen Gehäuse 8; die Sonde kann mit Hilfe
eines Seils oder Kabels 9 in das Bohrloch herabgesenkt werden. Das Gehäuse kann
aus irgendeinem geeigneten, nichtmagnetischen Material bestehen.
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In dem Gehäuse 8 sind zwei Permanentmagnete 10 und 12 axial in geeignetem
Abstand voneinander angeordnet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 befindet sich
zwischen ungleichen Polen der Magnete ein Kernl4, der, wie in der Zeichnung dargestellt,
die Form einer Stange annehmen kann. Der Kern solI aus leicht sättigbarem, ferromagnetischem
Material hoher Permeabilität bestehen, dessen Permeabilität sich bereits bei geringen
Änderungen des Magnetfeldes der beiden Magnete 10 und 12 ändert.
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Ein geeignetes Material hierfür ist unter der Bezeichnung Croloy Nr.
70 bekannt. Vorzugsweise hat der Kern an beiden Enden einen gewissen Abstand von
den
Magneten 10 und 12. Dies wird durch Zwischenscheiben 15 aus Bakelit od. dgl. erreicht,
so daß der Kern 14 auf dem steilen Teil der Hysterisiskurve arbeitet und eine große
Empfindlichkeit der Anordnung gewährleistet.
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Der Kern 14 ist von einer Spule 16 umgeben, die zu dem frequenzbestimmenden
Schwingungskreis eines Oszillators 20 gehört und durch den Leiter 18 mit dem im
oberen Teil des Gehäuses 8 angeordneten Oszillator verbunden ist. Das andere Ende
der Spule ist bei 22 an dem nichtmagnetischen Gehäuse 8 geerdet. Der Oszillator
20 legt an die Spule 16 eine Wechselspannung an.
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Um die Absorption elektrostatischer Ladungen der Spule 16 durch das
Gehäuse 8 zu verringern, kann in dem Gehäuse 8 rings um die Magnete 10 und 12 und
den Kern 14 eine elektrostatische Abschirmung 26 vorgesehen sein. Die Abschirmung
26 ist mit Hilfe der isolierenden Abstandstücke28 in gewissem Abstand von den Magneten
angeordnet; ähnliche Abstandsstücke 30 sind oben und unten zwischen der Abschirmung
26 und dem Gehäuse 8 angeordnet. Die Abschirmung 26 kann aber auch fortgelassen
werden, da auch ohne eine solche Abschirmung zufriedenstellende Ergebnisse erzielt
werden.
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Das Gehäuse ist unten durch einen Gewindestopfein 32 verschlossen,
der an seinem unteren Ende konisch ausgebildet ist, um die Sonde schnell und leicht
in ein Bohrloch, ein Rohrgestänge od. dgl. herablassen zu können.
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Der Stopfen32 ist abnehmbar, um einen leichten und schnellen Zugang
zum Innern des Gehäuses zu ermöglichen.
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Ein ähnliches Verschlußglied31 befindet sich am oberen Ende der Sonde,
so daß der Oszillator, die Permanentmagnete und der leicht sättigbare Kern vollkommen
gekapselt sind und daß sich an der Außenseite der Sonde keinerlei Spulen od. dgl.
befinden. Das obere Verschlußglied 31 erhält vorzugsweise die Form einer an sich
bekannten Kabelverbindung, mittels derer der Oszillator 20 mit Strom versorgt wird.
Diese Verbindungen und ihre Befestigung sind in an sich bekannter Weise ausgebildet,
so daß eine nähere Beschreibung derselben sich erübrigt.
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Wie weiter unten näher erläutert, erzeugen die PermanentmagnetelO
und 12 ein sogenanntes äußeres Magnetfeld Die der Spule 16 zugeführte Wechselspannung
sättigt den Kern 14 vollständig oder annähernd vollständig mit magnetischem Fluß,
so daß geringe Anderungen des äußeren Magnetfeldes das Gesamt-Magnetfeld beeinflussen
und dadurch die Induktivität der Spule 16 ändern; diese Änderungen werden außerhalb
des Bohrloches in der weiter unten angegebenen Weise angezeigt.
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Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Sonde. Sie unterscheidet
sich von derjenigen nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die elektrostatische Abschirmung26
fortgelassen ist und daß die Polarität des Magnets 10 umgekehrt ist, wie beim Bezugszeichen
10 a angedeutet, so daß sich gegenüber den Enden des Kerns 14 gleiche Pole befinden.
Der Fortfall der Abschirmung bringt auch die Abstandsstücke 28 und 30 in Fortfalls
so daß lediglich isolierende Abstands stücke 30 a erforderlich sind, die die Permanentmagnete
10a und 12a in einem gewissen Abstand vom Gehäuse 8 halten. Von diesen Abweichungen
abgesehen, ist die Ausführungsform die
gleiche wie diejenige nach
Fig. 1; auch die Wirkungsweise ist die gleiche. In beiden Fällen erzeugen die Permaneatmagnete
10 und 12 bzw. 10a und 12a ein starkes äußeres Magnetfeld, dessen Verzerrung durch
metallene Gegenstände eine Änderung der Induktivität der Spule 16 bewirkt, die durch
geeignete Instrumente festgestellt werden kann und das Vorhandensein und die Lage
der metallenen Unregelmäßigkeiten erkennen läßt, wie weiter unten näher erläutert.
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In Fig. 1 grenzt oben an den Kern ein Südpol und unten ein Nordpol,
während in Fig. 2 zwei Südpole an den Kern grenzen. Es geht daraus hervor, daß die
Pole in jedem Fall umgekehrt werden können. Bei jeder dieser Anordnungen ergibt
sich ein starkes äußeres Magnetfeld, das für den vorliegenden Zweck geeignet ist.
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Fig. 4 zeigt die Schaltung des Oszillators 20. Er enthält eine Triode
21, an deren Anode über die Leiter 23 und 36 ein positives Potential angelegt wird.
Die Spule 16 ist über den Leiter 18 mit dem Gitter der Triode verbunden; eine Mittelanzapfung
der Spule 16 ist über den Leiter 25 mit der Kathode der Röhre 21 verbunden. Die
Spule ist bei 22 geerdet; die Kondensatoren 27 und 29 liegen parallel zur Spule
16 und ergeben die Mittelanzapfung. Der Oszillator 20 enthält den Widerstand 31
in Reihe mit der Kathode; die Widerstände 33 und 35 führen zum Gitter der Röhre.
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Der Oszillator kann natürlich auch in irgendeiner anderen an sich
bekannten Art ausgebildet sein, und es kann auch eine andere Röhre, beispielsweise
eine Diode. eine Triode, eine Pentode od.dgl., zur Anwendung gelangen.
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Der Oszillator 20 wird durch die Gleichstromquelle 40 (Fig. 3) mit
Gleichstrom gespeist, die über die Leiter 36 und 38 und den Schalter 41 mit dem
Oszillator verbunden ist. Die Gleichstromquelle kann außerhalb des Bohrloches angeordnet
sein. Der Gleichstrom wird der Sonde über die Leiter36 und 38 des Kabels 9 zugeführt,
an dem die Sonde herabgelassen wird. Der Anzeigekreis ist mit der Primärwicklung
44 verbunden und daher mit der Sekundärwicklung 46 gekoppelt, die zu dem Rundfunkempfänger
42 geführt ist. Der Empfänger 42 ist außerhalb des Bohrloches angeordnet; es ist
ein bekannter Empfänger mit abgestimmter Hochfrequenz. Mit dem Empfänger ist ein
Oszillator 48 verbunden, der eine variable Überlagerungsfrequenz erzeugt, die den
ankommenden Signalen des Kreises des Oszillators 20 überlagert wird. Eine Uberlagerungsfrequenz,
die um 50 Perioden (oder weniger) bis 1000 Perioden (oder mehr) von der Null-Überlagerungsfrequenz,
d. h. von der Frequenz des Oszillators im Bohrloch, verschieden ist, ist für den
vorliegenden Zweck geeignet, obwohl auch andere tJberlagerungsfrequenzen zur Anwendung
gelangen können.
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Die Hochfrequenz wird durch ein an sich bekanntes Hochfrequenzfilter
50 ausgefiltert; die erhaltene Überlagerungsfrequenz wird zu der Anzeige- oder Meßvorrichtung
geführt, beispielsweise zu dem Frequenzmesser 52, dem Röhrenvoltmeter 54 und dem
Aufzeichner oder Galvanometer 56. Diese Einrichtungen sind an sich bekannt und im
Handel erhältlich, so daß eine nähere Beschreibung derselben nicht erforderlich
erscheint. Statt der beschriebenen Anordnung kann auch ein Oszilloskop oder Oszillograph
verwendet werden. Der Oszillograph enthält selbst
einen Überiagerungsfrequenzoszillator;
er ist in an sich bekannter Weise ausgebildet, so daß eine nähere Beschreibung desselben
ebenfalls überflüssig erscheint.
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Die Gleichstromquelle, der Schalter und die zugehörigen Anzeige-
und Meßeinrichtungen sind an der Oberfläche außerhalb des Bohrloches angeordnet.
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Die Meßeinrichtungen zeigen das ankommende Signal an, durch welches
das Vorhandensein und die Lage metallener Gegenstände in dem Bohrloch erkannt und
bestimmt werden kann.
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Bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Sonde6
an dem Kabel 9 in das Bohrloch herabgelassen. Der Oszillator wird über die Leiter36
und 38 des Kabels 9 mit Gleichstrom gespeist. Als typisches Beispiel seien folgende
Werte angegeben: Die Frequenz des Oszillators 48 wich um 50 Perioden von der des
Oszillators 20 ab. Die Frequenz des Oszillators 20 betrug 30 000 Perioden, die Überlagerungsfrequenz
30 025 Perioden.
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Während des Herablassens oder Heraufziehens der Sonde 6 im Bohrloch
wird das Magnetfeld der Permanentmagnete 10 und 12 oder 10a und 12a an den leicht
sättigbaren Kern 14 hoher Permeabilität angelegt; wenn Metallgegenstände in das
äußere Magnetfeld kommen, wird dieses verzerrt, was seinerseits das Magnetfeld des
Oszillators 20 verändert, das durch die Spule 16 ausgestrahlt wird, so daß das vom
Empfänger 42 aufgenommene Signal der Spule 16 verändert wird, was die Frequenz des
Oszillators 20 ändert. Da der Oszillatorkreis induktiv mit dem Empfänger 42 gekoppelt
ist, wird dadurch das ankommende Signal verändert, was die erhaltene Überlagerungsfrequenz
außerhalb des Bohrloches ändert, die durch den Frequenzmesser oder das sonstige
Anzeigeinstrument angezeigt wird. Je mehr die Sonde sich dem Metallgegenstand nähert,
um so mehr wird die Frequenz des Oszillatorkreises infolge der zunehmenden Verzerrung
des Feldes der Permanentmagnete geändert; diese Frequenzänderung erreicht ein Maximum,
wenn die Sonde sich in unmittelbarer Nähe des Metallgegenstandes befindet. Beispielsweise
begann sich die Frequenz des Oszillators zu ändern, als ein 1,80 m langes Stück
eines Rohres von 6,4 cm Durchmesser sich in einem Abstand von 2,40 m von dem ersten
Magnet befand. Beim Beginn der Frequenzänderung oder beim Maximum der Frequenzänderung
oder an einer gewünschten anderen Stelle der Frequenzänderung kann die Länge des
Kabels 9 abgelesen werden, wodurch die Lage und die Oberkante des Metallgegenstandes
im Bohrloch genau bestimmt werden können. Sobald diese Lage genau bekannt ist, kann
die Bergung des verlorenen Gegenstandes mit großer Aussicht auf Erfolg durchgeführt
werden.
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Zahlreiche Abänderungen der Gesamtanordnung und der Einzelheiten
des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung liegen für den Fachmann auf der
Hand; insbesondere kann jeder an sich bekannte Oszillator und jede bekannte Art
von Anzeigeinstrumenten verwendet werden.
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Zusammenfassend enthält das Verfahren nach der Erfindung die folgenden
Verfahrensschritte: Man verschiebt in einem Bohrloch ein starkes magnetisches Feld,
das durch einen oder mehrere Magnete erzeugt wird, nach unten (oder oben) und ordnet
in diesem Feld einen Kern leicht sättigbaren, ferromagnetischen Materials hoher
Permeabilität an, welcher
von einer Wicklung umgeben ist, an die
eine Wechselspannung angelegt wird und die ein Magnetfeld erzeugt, das den Kern
zur Sättigung oder in die Nähe der Sättigung bringt. Wenn der gesättigte oder teilweise
gesättigte Kern und das Magnetfeld, in welchem er sich befindet, sich in dem Bohrloch
verschiebt, wird das äußere Magnetfeld der Permanentmagnete durch etwa in dem Bohrloch
vorhandene Metallgegenstande verzerrt, was seinerseits das Ma-Magnetfeld des Kerns
ändert, wodurch die Induktivität der Schwingkreisspule geändert wird, die dann außerhalb
des Bohrloches instrumentell festgestellt wird und eine Anzeige des Vorhandenseins
und der genauen Lage des Metallgegenstandes ergibt.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind in hohem
Maße geeignet, das Problem der Erfindung zu lösen und die erwähnten Vorteile sowie
andere, damit verbundene Vorteile zu erzielen. Die Erfindung beschränkt sich nicht
auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfaßt auch
Änderungen, die im Rahmen des Erfindungsgedankens liegen.