DE1448715C - Elektronische Schaltungsanordnung fur ein Bohrlochmeßgerat zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei elektrischen Impulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung für ein Bohrlochmeßgerät, das über eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten elektroakustischen Wandlern in einer langgestreckten Sonde verfügt, die über ein einadriges Kabel mit dem oberirdischen Stromkreis verbunden ist, 'zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei elektrischen Impulsen, die auf einen ersten elektrischen Impuls im Zuge einer Impulsreihe folgen, die in einem unterirdischen Stromkreis des Bohrlochmeß- ίο gerätes beim Auftreten von akustischen Impulsen an den jeweiligen Wandler erzeugt wird und die im oberirdischen Stromkreis mittels eines Impulsüberwaclningskreises ausgewertet wird.

Es ist bekannt, bei physikalischen Bohrlochmessungen ein einadriges Kabel für die Übertragung elektrischer Informations- und Meßsignale von der Meßsonde im Bohrloch zu dem oberirdischen Gerät zu verwenden.

Auch sind akustische Verfahren zur Untersuchung von Gebirgsschichten bekannt, bei denen die Geschwindigkeit einer Ultraschallwelle durch die verschiedenen unterirdischen Gebirgsschichten dadurch gemessen wird, daß man einen akustischen Impuls mit einer Wiederholungsfrequenz von etwa 10 bis 40 Impulsen pro Sekunde erzeugt. Bei diesen Verfahren wird die Zeit bestimmt, die vergeht, wenn einer der akustischen Impulse zwischen zwei bestimmten Punkten in dem Bohrloch durch die unterirdische Schicht hindurchgeht.

Bei diesen bereits bekannten akustischen Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit verwendet man einen besonderen elektrischen Kanal zwischen dem ersten von zwei im Abstand voneinander angeordneten bestimmten Punkten und einen Zeit-Meßkreis zur Ermittlung des Zeitintervalls und außerdem einen besonderen Kanal zwischen dem zweiten Punkt und dem Meßkreis. Die beiden elektrischen Kanäle, die an den Meßkreis angekoppelt sind, enden in dem Bohrloch oder werden durch das Bohrloch hindurch über ein Kabel mit mehreren Leitern mit dem Meßkreis verbunden, der auf der Oberfläche der Erde angeordnet ist. Zusätzlich zu diesen beiden elektrischen Kanälen zur Lieferung von Signalen von zwei entfernt voneinander liegenden Punkten zu dem Meßkreis wird noch ein weiterer Kanal benutzt, der einen elektrischen Impuls liefert, der auf einen Wandler gegeben wird, um die akustischen Impulse in dem Bohrloch zu erzeugen; schließlich wird noch ein weiterer elektrischer Kanal zur Speisung des unterirdisehen Untersuchungsgerätes verwendet, das meistens ein elektronisches Gerät ist, so daß man mindestens ein vieradriges Kabel benötigt. In den Fällen, in denen die Kanäle zwischen den beiden entfernt voneinander liegenden Punkten und dem elektrischen Meßkreis des akustischen Systems vollständig in dem Untersuchungsgerät in dem Bohrloch enthalten sind, ist es schwierig oder sogar unmöglich, dieses System einwandfrei zu eichen. Bei den zuletzt genannten Systemen wird ein elektrisches Signal durch das Bohrloch hindurchgegeben, welches ein Maß für die Geschwindigkeit in der unterirdischen Schicht in der Nähe des Untersuchungsgerätes abgeben soll. Es hat sich aber gezeigt, daß dieses Signal von unbekannten Gegebenheiten in der ungünstigen Umgebung des Bohrloches abhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oberirdischen Stromkreis derart auszubilden, daß der zeitliche Abstand der zwei elektrischen Impulse, die auf den ersten folgen, ermittelt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Impulsübcrwachungskreis, der alle drei Impulse empfängt, parallel zu einem Impulslöschkreis geschaltet ist, dessen Ausgang an einem Stromkreis zur Messung des zeitlichen Abstandes zwischen den elektrischen Impulsen der Impulsreihe angeschlossen ist, und der den ersten elektrischen Signalinipuls löscht.

In den Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt und nachstehend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des unterirdischen Teils des Bohrlochmeßgerätes,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des oberirdischen Impulsüberwachungskreises des Bohrlochmeßgerätes,

F i g. 3 ein Zeitdiagramm der in der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung auftretenden Spannungen und

Fig. 4 ein Schaltbild des Kabel-Impulskreises zum Anschluß des unterirdischen Stromkreises an das Kabel.

Das Bohrloch 10 in Fig. 1 enthält die übliche flüssige Substanz, die meistens irgendein schlammiger Rückstand des Bohrverfahrens ist. Das Bohrloch verläuft durch eine Anzahl unterirdischer Schichten 12, 14 und 16, deren akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Im Innern des Bohrlochs befindet sich eine langgestreckte Sonde 18, die von einem Stromkabel 20 gehalten wird, das einen isolierten Leiter enthält. Dieses einadrige Kabel 20 enthält einen Leiter 22 und eine äußere Hülle 24 aus Stahlgewebe. Die Sonde 18 besitzt einen akustischen Teil 26 mit einem Wandler 28 zur Aussendung akustischer Impulse und einen ersten und einen zweiten Wandler 30 und 32 für den Empfang akustischer Impulse. Der Sendewandler 28 und der erste Empfangswandler 30 sind etwa 90 cm voneinander entfernt, während der erste und der zweite Empfangswandler etwa 30 cm voneinander entfernt sind. Die Wände und das Innere des akustischen Teils 26 der Sonde 18 sind aus einem synthetischen gummiähnlichen Material hergestellt, in dem die Schallgeschwindigkeit nicht größer ist als in der Flüssigkeit des Bohrloches, also aus einem Material, in dem die Schallgeschwindigkeit kleiner ist als 1524 m/s und das die hohen Temperaturen und Drücke aushält, die in einem Bohrloch vorkommen. Der obere Teil der Sonde 18 ist ein elektronischer Teil 34, in welchem sich die elektronischen Bauelemente für die Messung befinden.

Der elektrische Teil 34 enthält einen Taktgeber 36 in Form eines Oszillators, der Impulse, vorzugsweise mit konstanter Wiederholfrequenz, beispielsweise mit 20 Impulsen pro Sekunde, erzeugt. Ein akustischer Impulsgeber 38 zur Erzeugung eines Spitzenimpulses mit hoher Energie ist an den Ausgang des Taktgebers 36 und sein Ausgang an den Sendewandler 28 · angeschlossen. An dem Ausgang des Taktgebers 36 liegt ein erster Impulsverzögerungskreis 40, der einen monostabilen Multivibrator und eine Differenzierschaltung enthält. Ein erster Torimpulsgenerator 42, der ebenfalls ein monostabiler Multivibrator sein kann', der einen positiven Rechteckimpuls erzeugt, liegt am Ausgang des ersten Impulsverzögerungskreises 40. Der erste Torimpulsgenerator 42 liegt an einem Gitter einesersten Doppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 44 eines ersten Triggergenerators 45.

Der erste Empfangswandler 30 des akustischen

Teils 26 der Sonde 18 ist an ein erstes Hochpaßfilter 46 angeschlossen, das vorzugsweise eine Grenzfrequenz von etwa 5 kHz besitzt. Ein erster Verstärker und Schwellwertbegrenzer 48 liegt am Ausgang des ersten Filters 46. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers und Schwellwertbegrenzers 48 wird auf ein zweites Gitter des Doppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 44 gegeben.

Die Anode des Thyratrons 44 liegt über einen hochohmigen Belastungswiderstand 50 an der positiven Klemme B + einer Energiequelle. Ein Speicherkondensator 52 liegt zwischen der Anode des Thyratrons 44 und Erde. Das Schirmgitter. des Thyratrons 44 ist ebenfalls an Erde gelegt. Ein Kathodenwiderstand 54 ist zwischen die Kathode des Thyratrons 44 und Erde gelegt. Ein Doppel-Kathodenverstärker 56 mit einer ersten Triode 58 und einer zweiten Triode 60 besitzt einen gemeinsamen Kathodenwiderstand 62. Das Steuergitter der ersten Triode 58 liegt am Ausgang I des ersten Triggergenerators 45, der gleichzeitig die Kathode des Thyratrons 44 ist, und zwar ist die Verbindung über einen ersten Koppelkondensator 64 hergestellt. Das Steuergitter der ersten Triode 58 liegt außerdem über einen Widerstand 66 an Erde. Das Steuergitter der zweiten Triode 60 liegt über eine Sperrdiode 68 am Ausgang des Taktgebers 36. Ein Widerstand 67 liegt zwischen dem Steuergitter der zweiten Triode 60 und Erde.

Ein zweiter Impulsverzögerungskreis 70, der ebenfalls aus einem monostabilen Multivibrator und einem Differenzierkreis besteht, liegt am Ausgang II des ersten Triggergenerators 45, dem Kathodenwiderstand 54 des Thyratrons 44. Der Ausgang des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 ist an einen zweiten Torimpulsgenerator 72 angekoppelt, der ebenfalls einen monostabilen Multivibrator enthält. Der Ausgang des zweiten Torimpulsgenerätors 72 liegt an einem ersten Steuergitter eines zweiten Doppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 74 eines zweiten Triggergenerators 75. Ein hochohmiger Widerstand 76 liegt zwischen der Anode des zweiten Thyratrons 74 undder positiven Klemme B + der Stromquelle. Ein Kondensator 78 liegt zwischen der Anode des zweiten Thyratrons und Erde.

An den Ausgang des zweiten Empfangswandlers 32 ist ein zweites Filter 82 angekoppelt, das ebenfalls vorzugsweise ein Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von annähernd 5 kHz ist. Ein zweiter Verstärker und Schwellwertbegrenzer 84 ist an den Ausgang des zweiten Filters 82 angeschlossen. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 84 wird auf ein zweites Steuergitter des Thyratrons 74 gegeben. Die Kathode des zweiten Thyratrons 74 ist über eine zweite Sperrdiode 86 an das Steuergitter der zweiten Triode 60 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 gelegt.

Die Kathoden des Doppel-Kathodenverstärkers 56 sind über einen Koppelkondensator 90 an das Steuergitter eines Wasserstoffthyratrons 88 eines Kabel-Impulskreises 87 für die Impulserzeugung für das Kabel angeschlossen. Das Steuergitter des Wasserstoffthyratrons 88 liegt weiterhin über eine Drosselspule 92 an einem negativen 'Gleichstrompotential. Ein Netzwerk 94 für die Energiespeicherung bzw. Impulsformung enthält Kondensatoren 96 und 98 und eine Spule 100 und ist mit dem einen Anschluß an Erde und mit dem anderen Anschluß unmittelbar an die Anode des Wasserstoffthyratrons 88 und über einen Widerstand 102 an die positive Klemme B 4-der Stromquelle gelegt. Das Speichernetzwerk 94 kann beispielsweise ein bestimmtes Stück eines Koaxialkabels sein. Ein Kathodenwiderstand 1.04 mil niedrigem Ohmsc'hem Widerstandswert liegt zwischen der Kathode des Wasserstoffthyratrons 88 und Erde. Ein Koppelungskondensator 106 liegt zwischen der Kathode des Thyratrons 88 und dem einadrigen Kabel 20. Eine Energiequelle 108 für das Bohrloch ist über ein Filternetzwerk 110 an den Leiter 22 des Kabels 20 angeschlossen. Dieses Netzwerk enthält einen Kondensator 112, der zwischen dem Eingang der Energiequelle 108 und Erde liegt, und eine Spule 114, die zwischen dem Eingang der Energiequelle 108 und dem Leiter 22 des Kabels 20 liegt.

Derjenige Teil des Bohrlochmeßgerätes nach der Erfindung, der über der Erde liegt, ist in Fig. 2 gezeigt. Wie man aus dieser Figur ersieht, läuft das Kabel 20 über ein Kabelmeßgerät 116. Das obere Ende des Leiters 22 des Kabels 20 ist an eine erste Primärwicklung 118 eines Aufwärtstransformators 120 gelegt, während die Hülle 24 des Kabels geerdet ist. Eine zweite Primärwicklung 122 des Transformators 120 liegt in Reihe mit der ersten Primärwicklung 118 und mit einer Spule 124 zusammen am Ausgang einer Energiequelle 126, die im wesentlichen ein regelbarer Aufwärtstransformator ist, der die Energie von 110 Volt und 60 Hz auf eine Energiequelle 125 mit annähernd 280VoIt und 60 Hz anhebt. Eine weitere Energiequelle 128 liegt ebenfalls am Ausgang der Energiequelle 125 für 110 Volt und 60 Hz. Ein erster Kondensator 130 liegt zwischen dem Ausgang der Energiequelle 126. und Erde. Ein zweiter Kondensator 132 liegt zwischen dem Ausgang der Energiequelle 126 und dem gemeinsamen Punkt zwischen

den ersten und zweiten Primärwicklungen 118, 122 des Transformators 120. Die Sekundärwicklung 134 des Transformators 120 ist an ein Hochpaßfilter 136 gelegt. Der Ausgang des Hochpaßfilters 136 liegt an einem Verstärker 138, dessen Ausgang an einem Sperroszillator 140 liegt. Ein Impulsanzeigegerät, beispielsweise ein Kontrolloszilloskop 141, liegt am Ausgang des Hochpaßfilters 136.

Der Ausgang des Sperroszillators 140 liegt über einen Koppelwiderstand 150 an dem Steuergitter der

ersten Triode 146 eines ersten Impuls-Löschkreises 142, der aus einem monostabilen Multivibrator 144 mit einer ersten Triode 146 und einer zweiten Triode 148 besteht. Die Anode der zweiten Triode 148 des monostabilen Multivibrators 144 liegt über einen ersten Widerstand 152 in Serie mit der Parallelschaltung aus einem zweiten Widerstand 154 und einem parallel dazu liegenden Kondensator 156 an der negativen Klemme B— einer Energiequelle. Außerdem ist ein erster Belastungswiderstand 158 über einen ersten Koppelkondensatorl60 an den Ausgang des Sperroszillators 140 gelegt. Eine Siliziumdiode 162 liegt zwischen dem ersten Belastungswiderstand 158 und dem gemeinsamen Punkt zwischen dem ersten Widerstand 152 und dem zweiten Widerstand 154.

Ein zweiter Belastungswiderstand 164 liegt zwischen dem gemeinsamen Punkt des ersten Koppelkondensators 160 und des ersten Belastungswidcrstandes 158 einerseits und Eide andererseits. Ein zweiter Koppelkondensator 166 liegt zwischen dem gemeinsamen

Punkt des ersten Belastungswiderstandes 158 und der Siliziumdiode 162 und einem Gitterwiderstand 168. Der Gitterwiderstand 168 liegt zwischen dem Steuergitter eines Kathodenverstärkers 170 einer negativen

VorspannungsqucIIe. Die Anode des Kathodenverstärkers 170 liegt direkt an dem positiven Anschluß ZH- einer Stromquelle, während die Kathode dieses Verstärkers 170 über einen Laslwidcrstand 172 an Erde liegt.

Die Kathode des Kathodenverstärkers 170 ist an eine Triggerschaltung 174 in Form eines Zweierteilers angeschlossen, der seinerseits an einen Sägezahngenerator 176 angeschlossen ist. Hin Spitzcnwcrt-Röhrenvoltmcter 178 liegt am Ausgang des Generators 176. Hin Gleichstromverstärker 180 koppelt das Röhrcnvoltmeler 178 an ein Aufzeichnungsgerät 182. Eine Kopplungseinrichtung 183 liegt zwischen der Kabelnicßvori'ichtimg 116 und dem Aufzeichnungsgerät 182, so daß dieses mit einer der des Meßkabels 20 entsprechenden Geschwindigkeit registriert.

Ein Ausgang des Triggerkreises 174 liegt auch an einem TriggerriickstcIIkreis.184, der einen Kathodenverstärker 186 enthält, dessen Steuergitter am Ausgang des Kreises 174 liegt und dessen Anode unmittelbar an der positiven Klemme ZH- der Stromquelle liegt, während seine Kathode über eine Reihenschaltung aus einem ersten Kathodenverstärker 190 und einem zweiten Kathodenverstärker 192 an der negativen Klemme Ii- einer Stromquelle liegt. Ein erster Kondensator 194 liegt mit seiner einen Klemme an Erde und mit seiner anderen Klemme an dem gemeinsamen Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kathodenwiderstand 190 bzw. 192, und zwar über einen ersten hoehohmigcn Widerstand 196. Der gemeinsame Punkt zwischen dem ersten Kondensator 194 und dem Widerstand 196 ist mit dem Steuergittcr eines Thyratrons 198 verbunden. Ein zweiter hochohmiger Widerstand 202 liegt zwischen der Anode des Thyratrons 198 und der positiven Klemme Zi+ der Energiequelle. Ein Ausgangstransformator 204 hat eine Primärwicklung 206, die mit ihrer einen Klemme an Erde liegt, während die andere Klemme über einen zweiten Kondensator 208 an der Anode des Thyratrons 198 liegt. Die Sekundärwicklung 210 des Ausgangstransformators 204 liegt mit ihrer einen Klemme an Erde und mit ihrer anderen Klemme am Eangang des Triggerkreises 174. Ein Dämpfungswiderstand 212 liegt parallel zu der Sekundärwicklung 210 des Transformators 204.

V i g. 3 zeigt ein Zeitdiagramm der Spannungen des Bohrlochmeßgerätes.

Beim Betrieb des Gerätes wird ein elektrischer Impuls J₀. den der Taktgeber 36 erzeugt, auf den akustischen Sendeimpulsgeber 38 gegeben, der einen spitzen elektrischen Impuls hoher Energie erzeugt, um den Scndcwandlcr 28 zu betätigen, der einen akustischen Impuls T_n erzeugt. In der Praxis erzeugt der Sendewandler 28 allerdings eine akustische Welle und nicht einen einzelnen akustischen Impuls, weil in dem Sendewandler 28 -immer dann mechanische·. Schwingungen entstehen, wenn ein elektrischer Impuls J₀ aus dem akustischen Sendeimpulsgeber 38 bei ihm ankommt. Kommt der akustische-Wellenzug an einem der Hmpfahgswandler 30, 32 an, dann erzeugt der betreffende Wandler eine entsprechende elektrische Welle an seinem Ausgang. Da nur die erste Welle des elektrischen Wcllenzuges benutzt wird, um die Laufzeit der akustischen Energie zwischen den beiden Empfangswandlcm 30 und 32 zu messen, wird die Funktionsweise des Bohrlochmeßgerätes unter Berücksichtigung nur der ersten akustischen Welle bzw. des ersten akustischen Impulses T₀ des akustischen Wellenzuges und auch nur der ersten elektrischen Welle bzw. eines Impulses I der elektrischen Wellenzüge erläutert. Der elektrische Impuls J₀ des Taktgebers 36 wird gleichzeitig über die Sperrdiode 68 auf das Stcuergitter der zweiten Triode 60 des Doppel-Kathodenverstärkcrs 56 gegeben, der wie ein Stromkreis wirkt, der die Impulse sammelt und seinerseits einen Impuls J₀ an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 erzeugt.

ίο Der elektrische Impuls. J₀ des Taktgebers 36 wird gleichzeitig auch auf den ersten Impuls-Vcrzögcrungskreis 40 gegeben, der etwa 100 Mikrosekunden nach dem Eintreffen des elektrischen Impulses J₀ einen negativen Impuls erzeugt; diese 100 Mikrosekunden sind eine gerade etwas kleinere Zeit als die zu erwartende Mindcst-Laufzcit der akustischen. Energie des Sendewandlers 28 zu dem ersten Empfangswandlcr 30 bei einem Abstand von etwa 90 cm zwischen den beiden Wandlern. Der negative Impuls betätigt den ersten Torimpulsgenerator 42, um einen positiven Rechteckimpuls zu erzeugen, dessen Dauer annähernd 600 Mikrosekunden beträgt und der auf eines der Stcuergitter des Doppelsteuerungs-Koinzidenzthyratrons 44 des Triggergenerators 43 gegeben wird; diescr positive Impuls wird in einer Zeitspanne erzeugt, die mindestens dem Zeitintervall zwischen dem am frühesten erwarteten Impuls und dem am spätesten erwarteten Impuls an dem ersten Empfangswandler 30 entspricht.

Der akustische Impuls T₀, der an dem Sendewandler 28 erzeugt worden ist, gelangt durch die Flüssigkeit in dem Bohrloch in die unterirdische Gesteinsschicht 14, wo ein Teil des Impulses von der Schicht 14 auf die ersten und zweiten Empfangswandler 30 und 32 gebrochen wird. Ein Teil des gebrochenen akustischen Impulses tritt wieder in die Flüssigkeit des Bohrloches ein, um auf den ersten Empfangswandler 30 zu treffen, und zu einem späteren Zeitpunkt, je nach den akustischen. Eigenschaften der Schicht 14, tritt ein anderer Teil des gebrochenen Impulses von neuem in die Bohrlochflüssigkeit ein, um den zweiten Empfangswandler 32 zu treffen. Die von dem ersten Empfangswandler 30 erzeugte Spannung, die der dort empfangenen akustischen Energie entspricht, wird über das erste Filter 46 auf den ersten Verstärker 48 gegeben. Die erste positive, von dem Ausgang des ersten Verstärkers 48 ausgehende Welle wird auf das zweite der beiden Steuergitter des Thyratrons 44 des Triggergenerators 45 gegeben, um das Thyratron 44 zu zünden bzw. zu ionisieren. Sobald das Thyratron 44 gezündet worden ist. erzeugt die in dem Speicherkondensator 52 gespeicherte Energie einen positiven elektrischen Impuls J₁ an dem Kathodenwiderstand 54. Da der Ladewiderstand 50 des ersten Triggergenerators 45 einen hohen Widerstandswert aufweist, kann der Speicherkondensator 52 nicht sofort wieder geladen, werden, und infolgedessen können die nachfolgenden positiven Wellen des Wellenzuges des ersten Empfangswandlers 30 das Thyratron 44 nicht wieder von neuem zünden. Die Impedanzwerte des Ladewiderstandes 50 und des Speicherkondensators 52 sind so groß gewählt, daß das Thyratron 44 beim Eintreffen des nächstfolgenden Zuges einer elektrischen Welle gezündet werden kann, die von einem akustischen Impuls T₀ eingeleitet worden ist. Der Ausgangsimpuls J₁, der von dem Ausgang I des ersten Triggergenerators 45 abgeleitet worden ist, umfaßt die gesamte Spannung über dem Kathoden-

widerstand 54 und wird über den Koppclkondcnsator 64 auf das Stcuergittcr der eisten Triode 58 des Doppcl-Katliodenverslärkcrs 56 gegeben und erzeugt den Impuls i, an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkcrs 56.

Ein Teil der Spannung oder des Impulses /,, der an dem Kalhodcnwiderstand 54 in dem ersten Triggergenerator 45 erzeugt worden ist, wird an dessen Ausgang II abgeleitet und auf den Hingang des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 gegeben. Am Ausgang des zweiten Impulsverzögeriingskreises 70 wird etwa 30 Mikrosckunden nach dem Impuls I₁ ein negativer Impuls t_u erzeugt und auf diesen Kreis gegeben; es erfolgt dies 30 Mikrosckunden schneller als die erwartete Mindcstlaufzeit der akustischen Energie zwischen dem ersten zu dem zweiten Empfangswandler bei einem Abstand von etwa 30 cm zwischen den Wandlern. Der negative Impuls t₀ des zweiten Impulsverzögerungskreises 70 erzeugt einen positiven Rechteckimpuls mit einer Dauer von etwa 250 Mikrosekunden, der am Ausgang des zweiten Generators 72 auftritt. Der positive Impuls, der in einem Zeitintervall erzeugt wird, das mindestens zwischen dem Eintreffen des am frühesten erwarteten Impulses und des am spätesten erwarteten Impulses an dem zweiten Empfangswandler 32 liegt, wird auf das eine Steuergitter des Thyratrons 74 des zweiten Triggergenerators 75 gegeben.

Die Spannungswelle, die an dem zweiten Empfangswandler 32 erzeugt wird und die der akustischen Energie entspricht, die dort empfangen worden ist, wird über das zweite Filter 82 auf den zweiten Verstärker und Schwellwertbegrcnzer 84 gegeben. Die erste von dem Ausgang des zweiten Verstärkers 84 ausgehende positive Welle wird auf das andere Steuergitter des Thyratrons 74 des zweiten Triggergenerators 75 gegeben und zündet das Thyratron 74. Die in dem Speicherkondensator 78 gespeicherte Energie wird dann über das Thyratron 74 entladen und erzeugt einen Impuls /., an dem Kathodenwiderstand 80 des zweiten Thyratrons 74. Wie in Verbindung mit dem ersten Triggergencrator 45 bereits erläutert worden ist, zünden die nachfolgenden positiven Wellen des Wellenzuges das Thyratron 74 nicht von neuem. Der Impuls J₂ wird über die zweite Sperrdiode 86 auf das Sleuergitter der zweiten Triode 60 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 gegeben und erzeugt an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56 den Impuls /„. Die drei an dem Kathodenwiderstand 62 des Doppel-Kathodenverstärkers 56' erzeugten Impulse /₀, t_x und /., werden über den Koppelkondensator 90 auf das Steuergitter des Wasser- ., stoiTthyratrons 88 des Klibel-I.m.r>ulskreises 87 gegeben. Sobald der Impuls /_n das Thyratron 88"gezündet hat, wird die in dem Speichernetzwerk 94 angesammelte Energie durch das Thyratron 88 entladen und erzeugt an dem niederohmigen Kathodenwidersland 104 des Thyratrons 88 einen Impuls großer Amplitude und kurzer Dauer. Sobald" die Energie aus dem Speichernetzwerk 94 entladen ist, wird das Wasserstoflthyratron 88 stromundurchlässig, worauf das Speicherhetzwerk 94 von neuem rasch durch die Energie aus der positiven Klemme B -I- der Stromquelle über den Ladewiderstand 102 aufgeladen wird, um das Eintreffen des Impulses /, zu erwarten. Die Drosselspule 92 und die "negative Gleichspannung, die über die Drosselspule auf das Steuergittcr des Thyratrons 88 gegeben wird, sind vorgesehen, um das Thyratron 88 rasch zu cnlionisieren. Der Kabel-Impulskrcis 87 wirkt auf ähnliche Weise beim Empfang des Impulses i, und auch beim Empfang des Impulses/_a. Infolgedessen werden die drei Impulse /„, I₁ und f., hoher Energie und kurzer Dauer an der Kathode des Wasserstoffthyratron 88 erzeugt. Diese Impulse /₍₎₎ i, und /., werden dann über den Koppelkondensalor 106 auf den Leiter 22 des Kabels 20 gegeben und von da zur Erdoberfläche übertragen.

Da das Kabel 20 eine große Länge von z. B. etwa 6000 m oder mehr besitzen kann und da der Durchmesser des Kabels 20, das nicht nur sein Eigengewicht, sondern auch das der Sonde 18 tragen muß, und nur etwa 8 mm betragen kann, ist das Kabel sehr mit Verlust behaftet und weist eine sehr.niedrige Impedanz auf. Das Kabel 20 wirkt im wesentlichen wie ein Tiefpaßfilter. In dem benutzten Frequenzbereich der Impulse l_{), Z₁ und t₂ beträgt die Querimpedanz des Kabels etwa 1 Ohm, während die Längsimpedanz mindestens 70 Ohm beträgt. Um das Maximum der möglichen Energieübertragung durch das Kabel 20 zu erreichen, muß die genaue Impedanzanpassung sorgfältig beachtet werden. Es ist gefunden worden, daß man mit einem üblichen Kabel und einem geerdeten Kathodenwiderstand von 100 Ohm, der an dem Wasserstoffthyratron 88 liegt und der über einen Kondensator von 0,2 Mikrofarad an das Koaxialkabel 20 angekoppelt ist, einen verhältnismäßig scharfen und ausreichenden Impuls an der Erdoberfläche erhält. Der Kondensator mit der Kapazität von 0,2 Mikrofarad hält die 60-IIz-Spannung von dem Kabel fern, und der 100-Ohm-Widersland stellt einen Entladungsweg für den Kondensator dar.

Die ZJH--Spannung, die Gittervorspannung und die Heizspannungen für sämtliche Stromkreise in der Sonde 18 werden von der Bohrloch-Energiequelle 108 abgenommen. Die Energie für das Bohrloch wird aus dem Netz 126, das sich an der Erdoberfläche befindet, über das Kabel 20 in die Sonde 18 und von dem Kabel 20 in die Stromversorgungsanlage 108 über die Spule 114 eingespeist. Die Spule 114 ιιηςί der Kondensator 112 haben den Zweck, zu verhindern, daß die Impulse f₀, i, und i., in die Stromversorgungsanlage 108 für das Bohrloch gelangen.

Die Wechselspannung der Stromquelle 126 wird über die Spule 124 auf den Leiter 22 des Kabels 20, ferner-autdie zweite Primärwicklung 122 und auf die erste Primärwicklung 118 des Transformators 12Q.g_cgeben. Die Primärwicklungen 118 und 122 sind so gewickelt, daß die Flußändcrungcn infolge des Stromes in einer der Primärwicklungen durch die in der anderen Primärwicklung ausgeglichen werden, so daß eine. Null ergebende Spannung in der zweiten Sekundärwicklung.l.34_erzcugt wird.

Die drei auf das untere Ende des Kabels 20 gegebenen Impulse/„, /, und /„ kommen an dem oberen Ende des Kabels 20 mit einer Zeitverschiebung an, die gleich der Laufzeit durch das Kabel 20 ist und von den Übertragungseigenschaften des Kabirls'20 abhängt. Da die an der Erdoberfläche empfangenen elektrischen Impulse zeitlich verschoben sind, können sie von den elektrischen Impulsen f„, I₁ und 1., in der Sonde 18 durch Vergleich mit den entsprechenden elektrischen Impulsen f,,', f,' und r.,' an der Erdoberfläche unterschieden werden.

Die Zeitverzögerung bei der Impulsübertragung kann für ein Kabel mit einer l.äntie von etwa 550(1 bis M(H) m etwa 50 Mikrosckunden betragen. Da alle

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Claims (8)

drei Impulse um den gleichen Beirag verzögert werden, ist der Zeitunterschied zwischen den Impulsen /0, Z1 und /., der gleiche wie zwischen den Impulsen /„', /,' und r/. Die drei am oberen Ende des Kabels 20 empfangenen Impulse /„', /,' und t.,' werden auf die eine Klemme der ersten Primärwicklung 118 des Transformators 120 gegeben, der mit seiner anderen Klemme über die Kondensatoren 132 und 130 an' Erde liegt, um zu verhindern, daß die Impulse /0', Z1' und t.,' durch die zweite Primärwicklung 122 hindurchgehen. Außerdem ist in diesem Leitungszweig noch die Spule 124 in Reihe mit der Primärwicklung 122 geschaltet und stellt für die Impulse /„', /,' und /2' eine hohe Impedanz dar, um zu verhindern, daß sie durch die zweite Primärwicklung 122 des Transformators 120 hindurchgehen. Der Transformator 120. wirkt als Aufwärtstransformator, so daß man elektrische Impulse /u', Z1' und /.,' genügend großer Amplitude erhält, wenn sie durch das Hochpaßfilter 136 ao und den Verstärker 138 hindurchgegangen sind, um den Sperroszillator 140 zu betätigen, der an seinem Ausgang scharfe Impulse gleich großer Amplitude erzeugt. Die drei Impulse /0', /,'' und /2' des Sperroszillators 140 werden auf das Steuergitter der ersten Triode 146 des monostabilen Multivibrators 144 über den Koppelwiderstand 150 gegeben. Die erste Triode 146 des Multivibrators 144 ist normalerweise nicht stromdurchlässig, während die zweite Triode 148 des Multivibrators normalerweise stromdurchlässig ist.. Wird der erste Impuls der drei Impulse, also der Impuls /0', auf das Gitter der ersten Triode 146 gegeben, dann wird die erste Triode stromdurchlässig, und die zweite Triode wird stromundurchlässig. Auf diese Weise steigt die Spannung an der Anode der zweiten Triode 148 an und bildet eine positive Welle. Die Zeitkonstante des Multivibrators 144 ist so bemessen, daß die positive Welle'an der Anode der zweiten Triode eine Dauer von etwa 1000 Mikrosekunden hat. Der Impuls /„' des Sperroszillators 14Q wird ferner über den Koppelkondensator 160 auf den Widerstand 158 und über die normalerweise stromdurchlässige Diode 162, den Nebenschlußkondensator 156 und die negative Klemme B — nach Erde abgeleitet. Die Diode 162 und der Nebenschlußkondensator 156 haben sehr kleine Impedanzen für den Impuls /„', und infolgedessen ist die Spannung an dem gemeinsamen Punkt zwischen dem Widerstand 158 und der Diode 162 sehr klein. Die Spannung an diesem gemeinsamen Punkt ist nicht groß genug, um die negative Gittervorspannung an dem Steuergitter des ersten Kathodenverstärkers 170 zu übertreffen und durch den ersten Kathodenverstärker 170 auf den Triggerkreis 174 zu wirken. Hieraus ergibt sich, daß der Impuls /0' nicht in den Meßkreis zur Feststellung der akustisehen Geschwindigkeit gelangt, der den Triggerk.reis 174, den Sägezahngenerator, das Voltmeter 178„"den Gleichstromverstärker 180 und das Aufzeichnungsgerät 182 umfaßt. In dem Zeitpunkt, in dem der Impuls /,' des Sperroszillators 140 auf den Widerstand 158 gegeben wird, wird die Diode 162 durch die positive Welle der Anode der zweiten Triode 148 des Multivibrators 144 stfomundurchlässig. Dementsprechend laufen die Impulse /,' und t./ durch den Koppclkondensator 166 und gelangen auf das Steuergitter des Kathoden Verstärkers 170 und erzeugen an dem Kathodenwiderstand 172 des Kathodenverstärkers 170 die Impulse/,'und /.,'. Der Widerstand 164 dient zur Vervollständigung des Gleichstromweges für die Diode 162, solange diese stromdurchlässig ist. Da nun die Impulse /,' und /.,' von dem Impuls// getrennt sind, können sie auf den Stromkreis zur Messung der verstrichenen Zeit gegeben werden. Wird der Impuls /,' auf den Triggerkreis 174 gegeben, dann erzeugt er an dessen Ausgang eine negative Welle bzw. einen Impuls, der endet, wenn der Impuls /.,' ankommt. Die Dauer des negativen Impulses ist gleich der Laufzeit der akustischen Welle durch die unterirdische Erdschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangswandler 30 bzw. 32. Um die Dauer des negativen Impulses des Triggerkreises 174 auf die übliche Weise messen zu können, wird der negative Impuls auf den Sägezahngenerator 176 gegeben, der eine linear ansteigende Welle erzeugt, deren Höhe proportional der Laufzeit des akustischen Impulses von dem ersten Empfangswandler 30 zu dem zweiten Empfangswandler 32 ist. Da der Generator 176 genau zur Zeit//'abgeschaltet wird, ist der Spitzenwert der sägezahnförmigen Spannung am Ausgang des Generators 176 proportional der gesamten Laufzeit des akustischen Impulses durch die unterirdische Schicht zwischen dem ersten und zweiten Empfangswandler 30 und 32. Der Spitzenwert der sägezahnförmigen Spannung des Generators 176 wird durch das Voltmeter 178 festgestellt und über den Gleichspannungsverstärker 180 dem Aufzeichnungsgerät 182 zugeführt. Da der Sendewandler 28 akustische Impulse T0 mit einer Wiederholfrequenz von ungefähr 20 Impulsen pro Sekunde erzeugt, erhält man eine exakte Messung der akustischen Geschwindigkeiten in praktisch sämtlichen unterirdischen Schichten, die von dem Bohrloch durchsetzt werden, indem man die Sonde 18 durch das· Bohrloch hindurchbewegt. Da der Triggerkreis 174 ein bistabiler Stromkreis ist, muß man, um einen Impuls mit der richtigen Polarität auf den Generator 176 geben zu können und damit die gewünschten Zeitintervalle messen zu können, eine gerade Anzahl von Impulsen auf den Eingang des Triggerkreises 174 geben. Wenn der Impuls /,' den negativen Impuls am Ausgang des Triggerkreises 174 auslöst, jedoch der Impuls /./ nicht am Eingang des Verdoppelungskreises ankommt^ besitzt der negative Impuls eine sehr lange Dauer, die erst durch das EiniretTen des nachfolgenden /,'-Impulses beendet wird. Kommt der nachfolgende Impuls /2' an, wird ein positiver Impuls erzeugt, dessen Dauer gleich der Laufzeit des akustischen Impulses durch die unterirdischen Schichten zwischen dem ersten und zweiten Empfangswandler· ist. Der Generator 176 würde statt auf den positiven Impuls, der jetzt gleich dem gewünschten Zeitintervall ist, auf den langen negativen . Impuls ansprechen. Dieser Zustand würde so lange fortbestehen, bis ein ungerader Impuls ankommen und den Triggerkreis zurückstellen würde, so daß ein Ausgangsimpuls mit der richtigen Polarität erzeugt würde. Da nun eine beträchtliche Zeit verstreichen kann, bis ein ungerader Impuls an dem Triggerkreis ankommt und diesen zurückstellt, wird der Stromkreis 184 zum Zurückstellen des Triggerkreises benutzt, einen »künstlichen« Impuls /2" in einem Zeitpunkt abzugeben, der kurz nach dem Ablauf eines Zeitintervalls erfolgt, in dem ein Impuls // des zweiten Wandlers erwartet wird, aber nicht an eiern Triggerkreis ankommt. Hierzu wird ein positiver Rechteckimpuls zur Zeit /,' an einem anderen Ausgang des Triciicrkreises 174 ausgelöst und auf das Steuergittcr des zweiten Kathodenverstärker 186 gegeben. Die an dem zweiten der beiden in Reihe geschalteten Kathodenwiderstände 192 erzeugte Spannung wird über den hochohmigen Widerstand 196 auf den Kondensator 194 gegeben. Die Spannung an dem Kondensator 194 steigt allmählich an, wie man aus der Kurve V in F i g. 3 der Zeichnung ersieht. Die Trigger- oder Zündspannung V, des Thyratrons wird so bemessen, daß sie größer ist als die an dem Kondensator 194 entstehende Spannung, die während der Zeit zwischen den Impulsen Z1' und (.,' -erzeugt worden ist. Kommen jedoch die Impulse J1' oder i.,' nicht an dem Triggerkreis 174 an, dann steigt die Spannung an dem Kondensator 194 an, bis sie die Triggerspannung V1 erreicht, dann zündet das Thyratron 198, worauf die in dem Kondensator 208 gespeicherte Energie durch die Primärwicklung 206 des Transformators 204 entladen wird; nach der Zündung wird das Thyratron infolge des hohen Widerstandswertes des zweiten Widerstandes 202 wieder gelöscht. Die Sekundärwicklung210 gibt dann den Impulst." auf den Eingang des Triggerkreises 174 und stellt den Stromkreis für den nächsten Zyklus zurück. Da die Zeit zwischen den beiden Impulsen Z1' und /./ nur einen kleinen Teil des gesamten Zyklus in Anspruch nimmt, d. h. das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden gegebenen akustischen Impulsen T0, wird ein Störimpuls, z. B. ein solcher, der durch ein Kratzgeräusch in dem Bohrloch verursacht sein kann und der den Triggerkreis auslöst, die Schaltung nur ,gering beeinflussen, weil für den Rückstellkreis 184 genügend Zeit zur Verfügung steht, um den Triggerkreis 174 für den nächsten Arbeitszyklus vorzubereiten. Obwohl nur die elektrischen Impulse Z1 und t.2 auf die Erdoberfläche übertragen zu werden brauchen, um die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der unterirdischen Schichten zu messen, hat es sich insbesondere im Hinblick auf die Auswertung der Messungen als äußerst zweckmäßig erwiesen, den elektrischen Impuls r0 zur Erdoberfläche zu übertragen. Durch die Darstellung des elektrischen Impulses t3 an dem Oszilloskop 141 kann der Benutzer des Gerätes die Zeiten ermitteln, zu denen die elektrischen Impulse Z1 und ίο relativ zu dem elektrischen Impuls t0 empfangen werden. Diese Information ist insbesondere dann von großem Nutzen, wenn man beispielsweise ein akustisches Störgeräusch oder eine akustische Dämpfung erkennen und ermitteln möchte. Gegebenenfalls kann die relative Lage der drei Impulse f„, i, und f., dadurch aufgezeichnet werden, daß man an Stelle des Oszilloskops 141 eine geeignete Aufzeichnungsvorrichtung verwendet. Fig. 4 der Zeichnung zeigt ein weiteres Ausfürte rungsbeispiel eines Kabel-Impulskreises. Er enthält ein dreipoliges Festkörperthyratron in Form eines gesteuerten Siliziumgleichrichters 214, dessen Anode an ein Impulsformungsrietzwerk 94 und dessen Kathode an den niederohmigen Kathodenwiderstand 104 angeschlossen ist. Die Impulse r, und /., werden von den Kathoden des Doppel-Kathodenverstärkers 56 der F i g. 1 über den Kopplungstransformator 216 auf die Steuerelektrode des Gleichrichters 214 gegeben. Die Primärwicklung 218 des Transformators 216 liegt zwischen den Kathoden des Doppel-Kathodenverstärkers 56 und Erde. Die Sekundärwicklung 220 des Kopplungstransformators 216 liegt zwischen der Steuerelektrode des Gleichrichters 214 und einer negativen Spannungsquellc. An Stelle von zwei Empfängern könnte man auch drei Empfänger benutzen, die Messungen würden dann beim Auftreten der elektrischen Impulse vorgenommen werden, die dem Auftreten eines akustischen Impulses an einem aus den Sende- und Empfangswandlern ausgewählten Wandlerpaar entsprechen. Man kann auch nur einen einzigen Empfänger verwenden, wobei die Zeitmessung zwischen elektrischen Impulsen vorgenommen wird, die dem Auftreten eines akustischen Impulses an dem Sender und an dem Empfänger entsprechen. Ist der Durchmesser des Bohrloches sehr groß, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn es in einer ausgewaschenen oder ausgehöhlten Schicht liegt, oder wenn die akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Gesteins sehr klein ist, dann ist der akustische Impuls, der zuerst an dem ersten Empfangswandlcr empfangen wird, derjenige, der durch die Flüssigkeit des Bohrloches oder die akustische Anordnung hindurchgeht, während der durch das Gestein laufende Impuls wegen der Aushöhlung über die erwartete Ankunftszeit hinaus verzögert wird. Etwaige sich hieraus ergebende Feldmessungen werden durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vermieden. Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltungsanordnung für ein Bohrlochmeßgerät, das über eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten elcktroakustischen Wandlern in einer langestreckten Sonde verfügt, die über ein einadriges Kabel mit dem oberirdischen Stromkreis verbunden ist, /ur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei elektrischen Impulsen, die auf einen ersten elektrischen Impuls im Zuge einer Impulsreihe folgen, die in einem unterirdischen Stromkreis des Bohrlochmeßgerätes beim Auftreten von akustischen Impulsen an den jeweiligen Wandlern erzeugt wird und die im oberirdischen Stromkreis mittels eines Impulsüberwachungskreises ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsüberwachungskreis (141), der alle drei Impulse (/„'; f/; O empfängt, parallel zu einem Impulslöschkreis (142) geschaltet ist, dessen Ausgang an einem Stromkreis (174 bis 184) zur Messung des zeitlichen Abstandes zwischen den elektrischen Impulsen der Impulsreihe angeschlossen ist, und der den ersten elektrischen Signalimpuls löscht.

2. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tmpulslöschkreis (142) einen Gatterstromkreis (154, 156,162) enthält, der an einen monostabilen Multivibrator (144) angeschlossen ist, der den Gatterstromkreis für den ersten Impuls stromdurchlässig und für,die nachfolgenden Impulse einer Impulsreihe stromundurchlässig macht, und daß der

• Gatterstromkreis sowie der monostabile Multivibrator mit ihren Eingangsklemmen über impulsformende Stromkreise (140, 138, 136, 134, 118) an das einadrige Kabel (20) angeschlossen sind.

3. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gatterstromkreis eine Diode (162) enthält, die normalerweise stromdurchlässig ist und infolge-

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dessen dein ersten Impuls einen Strompfad niedriger Impedanz darbietet und die mit Hilfe des monostabilen Multivibrators (144) slromundurchlässig gemacht wird, sobald der erste Impuls ankommt, um den nachfolgenden Impulsen einer Iinpulsreihe eine hoho Impedanz darzubieten, und dal.? die Diode (162) über einen Kondensator (166) an die Steuerelektrode eines Verstärkers (17(1) angeschlossen ist. um die nachfolgenden Impulse durchzulassen.

4. Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis zur Messung des zeitlichen Abstandes einen Triggerkreis (174) enthält, der an den Ausgang des Impulslöschkreises (142) für den ersten Impuls angeschlossen ist und auf die beiden Impulse anspricht, daß ein Triggeirückstellkreis (184) einen Thyratronkreis (198) enthält, dessen Steuergitter auf eine Triggerspaninmg mit vorgesehenem Wert anspricht, und ein Ausgang des" Triggerkreises (174) über cine Ka-^v thodeiifolgeschallung (186) angekoppelt ist. die eine veränderliche Spannung erzeugt, die den vorgegebenen Wert nach einem Zeitintervall erreicht, währenddessen die Urzeugung des dritten Impiilses erwartet werden kann, und daß der Ausgang

(210) des Thyratronkreises (198) mit dem Eingang des Triggerkreises (174) verbunden ist.

5. Elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der unterirdische Stromkreis (Fig. 1) an das einadrige Kabel (20) über einen Kabel-Impulskrcis (87) angeschlossen ist, der einen Ausgangskreis (106) niedriger Impedanz enthält, und daß der Kabel-lmpulskreis (87) mit seinem Eingang an impulsformende Schaltelemente (56) des unterirdischen Stromkreises angeschlossen ist.

6. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabel-lmpulskreis (87) ein Netzwerk (94) für die Impulsformung sowie einen Thyratronkreis (88) aufweist.

7. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyratronkreis ein Festkörpcrlhyratron (214) enthält.

8. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsformenden Schaltelemente (56) einen Doppel-Kathodcnverstärkcr (56) enthalten, dessen beide Steuergitler zum Empfang der elektrischen Impulse dienen.