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Die Erfindung betrifft ein Schallgeschwindigkeitsmeßgerät für Bohrlöcher,
bestehend aus einem sendenden und wenigstens einem dem Empfang dienenden elektroakustischen
Wandler, die an einem rohrförmigen Tragglied befestigt sind.
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In der USA.-Patentschrift 2931455 ist ein Schallgeschwindigkeitsmeßgerät
zur Untersuchung von Erdformation beschrieben, das einen Ultraschallerzeuger zum
Aussenden akustischer Energie und zwei dem Empfang dienende elektroakustische Wandler
aufweist, welche Schallenergie in entsprechende elektrische Impulse umsetzen, die
auf eine Zeitmeßschaltung gegeben werden, um die Zeitdifferenz zwischen den ausgesendeten
und empfangenen Schallwellen zu bestimmen. Das bekannte Gerät hat die Form einer
langgestreckten zylindrischen geschlossenen Hülse mit relativ kleinem Durchmesser,
so daß es leicht in eine Erdbohrung gesenkt oder daraus herausgezogen werden kann.
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Bei derartigen, mit einem sendenden und einem oder mehreren dem Empfang
dienenden Wandlern ausgestatteten Meßgeräten entsteht das Problem, eine möglichst
wirksame Entkopplung zwischen den einzelnen Wandlern zu schaffen, damit die von
dem einen Wandler ausgesendete Schallenergie nicht direkt über das die Wandler haltende
Tragglied auf die dem Empfang dienenden Wandler einwirkt. Falls keine wirksame Entkopplung
zwischen den Wandlern vorhanden ist, würden einwandfreie Meßergebnisse nicht erzielt,
da für diese Meßergebnisse die Auswertung der Zeitdifferenz von in die umgebende
Erdformation ausgesandten und nach dem Durchlaufen der Erdformation wieder empfangenen
Schallimpulsen maßgebend ist.
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Aus der französischen Patentschrift 1 224841 ist es bereits bekannt,
zur Erzielung der genannten Entkopplung zwischen den der Sendung und dem Empfang
dienenden Wandlern ein Gummiteil zu verwenden, das die direkt über das Tragglied
verlaufende Schallenergie absorbiert. Die Verwendung eines derartigen Gummiteils
zwischen den dem Empfang und der Sendung dienenden Wandler hat den Nachteil, daß
es zur Erzielung einer ausreichenden Entkopplung verhältnismäßig groß sein muß,
was einen großen Abstand zwischen den Wandlem bedingt und die Abmessungen des Gesamtgerätes
vergrößert, so daß es unhandlich und unpraktisch im Gebrauch erscheint.
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Außerdem ist das Gummiteil für die genannten Absorptionszwecke flexibel,
so daß kein fester Abstand zwischen den daran befestigten Wandlern eingehalten werden
kann, was ebenfalls zu Verfälschungen der Meßergebnisse führen kann.
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Nach der deutschen Patentschrift 1 014 338 ist es bekannt, an Stelle
eines Gummiteiles mechanische Filter zwischen den Wandlern anzuordnen. Wie alle
Filteranordnungen, so arbeiten auch diese mechanischen Filter nur innerhalb eines
bestimmten Frequenzbereichs. Sie sind auch sehr kompliziert, in der Herstellung
aufwendig und teuer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirksame Entkopplung
zwischen sendenden und dem Empfang dienenden Wandlern eines Schallgeschwindigkeitsmeßgerätes
zu schaffen, wobei die Abmessungen des Gerätes möglichst klein gehalten, ein fester
Abstand zwischen den Wandlern vorgesehen und aufwendige mechanische Filteranordnungen
vermieden werden sollen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine mittels einer
metallischen Hülse und einem Luftraum zwischen Tragglied und Wandler geschaffene
Grenzfläche. Diese Luft-Metall-Grenzfläche ergibt eine sehr hohe Fehlanpassung der
Impedanzen für Ultraschallenergie zwischen den erwähnten Wandlern, so daß praktisch
keine direkte Energieübertragung zwischen den Wandlern stattfindet. Wenn die metallische
Hülse aus Messing besteht, so ist das Verhältnis der spezifischen akustischen Impedanz
der Hülse zum Luftraum 1 : 7-104.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Gesamtansicht des in ein Bohrloch eingeführten
Meßgerätes, F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Gerätes nach Fig. 1,
wobei Tragglied, Wandler und Grenzfläche zu sehen sind, Fig. 3 eine Querschnittsansicht
nach der Linie 111-111 der Fig. 2.
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F i g. 1 zeigt im einzelnen ein Schallgeschwindigkeitsmeßgerät, das
in einer Flüssigkeit 23, die in einem Bohrloch 24 enthalten ist, nahe der Formation
25 unter der Oberfläche angeordnet ist. Das Gerät besteht aus einem elektronischen
Abschnitt 10, einem ersten der Aussendung von Ultraschall dienenden Wandler 20 und
aus elektroakustischen Wandlern 12 13, die dem Empfang und der Umsetzung von Schallenergie
in elektrische Impulse dienen. An dem Gerät ist ein Kabel 14 befestigt, das dazu
verwendet wird, das Gerät innerhalb des Bohrloches zu tragen und elektrische Energie
zwischen dem Gerät und der auf der Erdoberfläche angeordneten Ausrüstung zu übertragen.
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F i g. 2 stellt einen Längsschnitt des Gerätes nach F i g. 1 dar
und läßt den der Aussendung von Ultraschall dienenden Wandler 20 erkennen. Die F
i g. 2 zeigt ein Tragglied 15 und eine rohrförmige Metallhülse 16, die vorzugsweise
aus Messing hergestellt und konzentrisch um das Tragglied 15 angeordnet ist.
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Das Tragglied 15 ist durch relativ schmale Dichtteile, z. B. O-Ringe
17, die in Aussparungen in dem Tragteil 15 nahe jedem Ende der Hülse 16 angeordnet
sind, im Abstand zu der Hülse 16 gehalten. Das Tragglied 15, die Hülse 16 und die
O-Ringe 17 sind so angeordnet, daß ein Luftrauml8 zwischen dem Tragglied und der
Hülse gebildet wird. Ein Kopplungsteil 19, das im wesentlichen aus Polymethylacrylat
bestehen kann und eine im allgemeinen hohle zylindrische Form aufweist, ist an der
Metallhülse 16 befestigt und dient zur Auskopplung der Schallenergie in die Erdformation.
Der Wandler 20, z. B. ein piezoelektrisches Element, ist konzentrisch innerhalb
des Kopplungsmediums 19 angeordnet und darin eingebettet. Druckunterlagsscheiben
21 aus Kork sind um das Tragglied 15 herum an jedem Ende des Kopplungsmediums 19
angeordnet. Die Klemmen 22 und die hereinführenden Drähte 26 sind dazu vorgesehen,
die elektrischen Verbindungen zu dem Wandler 20 herzustellen.
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Fig. 3 stellt eine Querschnittsansicht des Ultraschallerzeuger-Bauteils
gemäß Linie III-III der F i g. 2 dar, wobei entsprechende Elemente durch gleiche
Ziffern gekennzeichnet sind.
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Beim Betrieb des dargestellten Gerätes wird ein von der in Abschnitt
10 untergebrachten elektrischen Schaltung kommender elektrischer Impuls auf den
Wandler 20 gegeben, um einen akustischen Impuls
zu erzeugen, der
durch die Flüssigkeit 23 in dem Bohrloch 24 in die umgebende Formation 25 ausgesendet
wird. Der akustische Impuls verläuft durch die Formation 25 und gelangt dann an
die dem Empfang dienenden Wandler 12, 13.
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Wenn der elektrische Impuls durch die Klemmen 22 und die Drähte 26
an den Wandler 20 geliefert wird, wird also ein akustischer Impuls erzeugt, der
radial nach außen durch das Kopplungsmedium 19 in die Bohrlochflüssigkeit 23 gesendet
wird. Das Kopplungsmedium 19 ist aus einem Material zusammengesetzt, das einen Wert
der spezifischen akustischen Impedanz aufweist, der im wesentlichen gleich dem geometrischen
Mittel der Impedanz des Wandlers 20 und der Impedanz der Flüssigkeit 23 ist. Der
Wandler 20 sendet einen akustischen Impuls auch radial nach innen in Richtung auf
das Tragglied 15.
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Um das Tragglied akustisch zu isolieren, sind der Luftraum 18 und
die Metallhülse 16, die aus Messing hergestellt sein kann, vorgesehen. Die Kombination
der Metallhülse 16 mit dem Luftraum 18 schafft eine Grenzfiäche zwischen dem Wandler
20 und dem Tragglied 15, die auf Grund der Fehlabstimmung der spezifischen akustischen
Impedanzen der beiden Materialien Ultraschallenergie nicht leitet, da
die spezifische
Impedanz von Messing gleich 29 1ob und die von Luft gleich 41,3 g cm/cm3 sec ist,
woraus sich ein Verhältnis der spezifischen akustischen Impedanz von Messing zu
Luft von etwa 7. 104 ergibt.
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Demgemäß wird nur eine sehr geringe Ultraschallenergie von dem Wandler
20 an das Tragglied 15 übermittelt. Infolgedessen kann auch nur eine sehr geringe
Ultraschallenergie von dem Tragteil 15 an die empfangenden Wandler 12, 13 (F i g.
1) übermittelt werden. Zusätzliche Grenzflächen können vorgesehen werden, um die
akustischen Impulse weiter abzuschwächen.