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Gerät zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes der ein Bohrloch
umgebenden Erdformationen Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen
des elektrischen Widerstandes der ein Bohrloch umgebenden Erdformationen mit einem
Sende-und Empfangsspulen aufweisenden Induktionssystem und mit einem stromaussendende
und potentialaufnehmende Elektroden aufweisenden fokussierten Elektrodensystem sowie
mit einem mit einer Achse in Richtung des Bohrlochs sich erstreckenden länglichen
Träger, auf dem in axialen Abständen die Spulen koaxial angeordnet sind und der
zugleich die Elektroden trägt.
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Um Anzeigen oder Aufzeichnungen über den spezifischen elektrischen
Widerstand oder der Leitfähigkeit unterirdischer Erdformation, die von einem Bohrloch
durchteuft sind, zu gewinnen, ist es bekannt, verschiedenartige Typen von Elektroden-
und Spulensystemen zu verwenden, die in das Bohrloch abgesenkt werden. Es ist häufig
erwünscht, in ein und demselben Bohrloch Anzeigen beider Systeme, nämlich des Elektroden-
und des Spulensystems, zu erhalten. Um den dafür erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand
zu reduzieren, sind beide Messungen möglichst in dem gleichen Durchgang durch das
Bohrloch zu bewerkstelligen. Auch ist es, um die beiden Messungen in den jeweiligen
Bohrlochtiefen leichter in Beziehung zueinander zu bringen, wünschenswert, daß das
Elektroden- und das Spulensystem eng beieinander angeordnet werden, so daß ihre
Bezugspunkte hinsichtlich der Bohrlochtiefe in bezug auf die Erdoberfläche sich
annähernd auf dem gleichen Niveau befinden.
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Wenn nun aber Elektroden in dichter Nähe eines Spulensystems angeordnet
werden, treten insofern Schwierigkeiten auf, als das nahe Vorhandensein der leitenden
Elektroden die Arbeitsweise des Spulensystems zu stören sucht. Dies ist der Fall,
weil das Spulensystem einen Wirbelstrom in die Elektroden induziert, der wiederum
unrichtige Angaben oder Signale in das Spulensystem zurückinduziert. Solche Anzeigen
oder Signale sind insofern irreführend, als sie durch die Elektrodenimpedanz und
nicht durch die Impedanz der Erdformationen bestimmt werden.
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In dieser Beziehung muß man sich vor Augen halten, daß die erwünschten,
von der Erdformation herrührenden Spulensystemsignale im allgemeinen klein ausfallen.
Deshalb ist auch das Spulensystem gegenüber dem Vorhandensein leitenden Materials,
in diesem Fall leitender Elektroden, in enger Nachbarschaft sehr empfindlich.
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Auf Grund der vorerwähnten Schwierigkeiten wiesen die bisher gebräuchlichen
kombinierten Elektroden- und Spulensystemapparate nur ein sehr ein-
faches Elektrodensystem
mit sehr wenigen Elektroden sehr kleiner Größe und Oberfläche auf. Es ist indessen
häufig wünschenswert, kompliziertere Arten von Elektrodensystemen mit verschiedenen
Elektroden verwenden zu können, von denen einige aus Gründen der besten Arbeitsweise
des Elektrodensystems eine beträchtliche Oberfläche haben sollten. Dies trifft im
besonderen für die Verwendung von fokussierenden Vielelektrodensystemen zu. Aber
auch bei einfachen Elektrodensystemen würde es häufig erstrebenswert sein, die Dimensionen
der Elektroden vergrößern zu können, wenn dies ohne Störung der Arbeitsweise des
Spulensystems geschehen könnte.
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Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine neues und verbessertes
Bohrlochmeßgerät zu schaffen, das auf demselben Durchgang durch das Bohrloch sowohl
Elektrodensystem- als auch Spulensystemmessungen gestattet. Die Erfindung soll es
darüber hinaus ermöglichen, ein verhältnismäßig kompliziertes fokussiertes Elektrodensystem
in unmittelbarer Nähe eines Spulensystems anzuordnen, ohne dessen Arbeitsweise dadurch
nennenswert ungünstig
zu beeinflussen. Dabei soll das fokussierte
Elektrodensystem an dem gleichen Tragorgan wie das Spulensystem angebracht werden,
wobei der Abstand ihrer Bezugspunkte in der Bohrlochtiefe möglichst klein gehalten
werden soll.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Induktions- und das Elektrodensystem
mindestens nahezu das gleiche Meßniveau aufweisen und daß zwecks Verringerung der
Beeinflussung des Spulensystems durch Wirbelströme in den Elektroden dieses Elektroden
aus mehreren rings um die Längsachse des Trägers angeordneten, in Richtung der Längsachse
des Trägers langgestreckten Teilelektroden gebildet sind, die durch eine um die
Längsachse des Trägers geschlossene Leiterschleife verhältnismäßig geringer Querschnittsfläche
miteinander verbunden sind und sich in einem größeren radialen Abstand von der Trägerlängsachse
als die Windungen des Spulensystems befinden.
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Zur weiteren Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung wird auf
die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen.
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F i g. t ist eine Seitenansicht einer besonderen Ausführungsform
eines Gerätes gemäß der Erfindung, wobei ein Teil des Außengehäuses weggebrochen
ist, um die Innenausbildung freizulegen; F i g. 2 ist der Teil eines Querschnitts
entsprechend der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1; F i g. 3 ist ein senkrechter Teilschnitt
entsprechend der Schnittlinie 3-3 der Fig. 1; Fig.4 ist eine graphische Darstellung,
die den Effekt der Anordnung verschiedener Arten von Elektrodenelementen in der
Nähe des Spulensystems der F i g. 1 veranschaulicht; F i g. 5 ist eine graphische
Darstellung, die die Arbeitsweise des Gerätes gemäß F i g. 1 veranschaulicht; Fig.
6 ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des Gerätes gemäß der Erfindung;
F i g. 7 ist eine der F i g. 4 entsprechende Darstellung und soll die Arbeitsweise
des Gerätes gemäß F i g. 6 veranschaulichen.
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In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Gerätes 10 zur
Untersuchung von ein Bohrloch 12 umgebenden Erdformationen 11 gezeigt. Das Bohrloch
12 ist mit einer leitenden Flüssigkeit 13 angefüllt, die überlicherweise als Bohrlochspülung
bezeichnet wird. Das Gerät ist an einem bewehrten Vielleiterkabel 14 befestigt,
das über eine Seilscheibe 1S an der Erdoberfläche geführt und an einer Winde 16
befestigt ist. Auf diese Weise kann das Gerät 10 durch die Winde 16 in das Bohrloch
12 abgesenkt und aus diesem wieder herausgezogen werden.
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Das Gerät 10 besitzt einen unteren Teil 17, der als Träger für die
Spulen und Elektroden dient, und einen oberen Teil 18, der ein flüssigkeitsdichtes
Gehäuse für die elektronischen Schaltkreise aufweist.
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Das Äußere des Gehäuses 18 ist entweder aus elektrischem Isoliermaterial
hergestellt oder mit solchem belegt. Das Gerät 10 besitzt weiterhin einen Kopfteil
19 für den Anschluß des Gehäuses 18 an das Kabel 14, wobei die Außenhülse dieses
Kopfteils entweder aus elektrischem Isoliermaterial hergestellt oder mit solchem
belegt ist. Etwa die ersten 30 m des Kabels 14 unmittelbar über dem Kopfteil 19
des Gerätes 10 sind von einer Hülse 20 aus elektrischem Isoliermaterial, wie Gummi,
umschlossen. Eine Absenk-Erdungselektrode 21 ist an der Hülse 20 nahe ihrem
oberen
Ende befestigt, wobei diese Erdungs- oder Stromrückführelektrode sich genügend weit
über irgendwelchen Elektroden an dem Tragorgan 17 befindet, um davon elektrisch
unbeeinflußt zu sein.
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Es soll nun zunächst die Ausbildung des Spulensystems beschrieben
werden, mit dem in die angrenzenden Erdformationen ein Strom elektromagnetisch induziert
und ein Meßwert eines solchen Stromes erhalten wird. Das Spulensystem ist an dem
Tragorgan 17 befestigt. Es umfaßt Sendespulen T1 und T2 und Empfangsspulen R1, R2
und R3. Diese Spulen bilden ein fokussierendes Spulensystem, das auf verhältnismäßig
dünne, vom Bohrloch durchteufte Schichten anspricht; es wird durch Schichten oberhalb
oder unterhalb der Spulenanordnung wenig beeinflußt.
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Das in der Fig. 1 dargestellte Spulensystem ist nur ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, in dem auch andere Spulensysteme mit einer anderen Anzahl und anderen
Arten von Spulen verwendet werden können.
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Zum Beispiel kann auch ein System mit nur einer einzigen Spule benutzt
werden.
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Um die Sendespulen Ti und To mit Energie zu versorgen und die von
den Empfangsspulen Rl, R2 und R3 aufgenommenen Signale auszuwerten, sind in einem
unteren Teil 18 a des Gehäuses 18 entsprechende elektronische Schaltkreise untergebracht.
Diese Schaltkreise enthalten geeignete phasenempfindliche Kreise, um eine Untersuchung
zwischen den Wirk-und Blindkomponenten des Erdformationsstromflusses zu treffen.
Diese Kreise können so ausgebildet sein, daß sie auf eine Frequenz der Sendespulen
von beispielsweise 20 kHz ansprechen. Wenn phasenselektive Kreise benutzt werden,
kann die Ausgangsstufe dieser Kreise auch einen phasenempfindlichen Detektorkreis
aufweisen, der zusätzlich zur weiteren Unterscheidung zwischen Wirk- und Blindkomponenten
auch dazu dient, das 20-kHz-Empfangsspulensignal in ein Gleichstromsignal zur Übertragung
durch das Kabel 14 umzuwandeln.
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Die elektrische Energie zur Speisung der Schaltkreise in dem Gehäuseteil
18 a wird durch eine Spannungsquelle 22 an der Erdoberfläche geliefert, die über
Leiter 23 und 24, ein Paar einer Mehrzahl von bürstenartigen Kommutatoren 25, die
der Winde 16 zugeordnet sind, und ein Paar isolierter Leiter in dem Kabel 14 angeschlossen
ist. Die elektrische Energie kann beispielsweise ein Wechselstrom mit einer Frequenz
von 60 Hz sein. Das durch die Schaltkreise entwickelte Signal wird seinerseits durch
ein zusätzliches Leiterpaar in dem Kabel 14, ein zusätzliches Paar bürstenartiger
Kommutatoren 25 und ein Paar von Leitern 26 und 27 auf ein geeignetes Anzeige- oder
Registriergerät 28 an der Erdoberfläche übertragen, um diese Signale aufzuzeichnen.
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Ein mechanisches Antriebsrad 29 greift an dem Kabel 14 zum mechanischen
Antrieb des Registriergerätes 28 an, wie es durch die punktierte Linie 30 angedeutet
ist, um den Papierstreifen oder Film, auf dem die Aufzeichnungen vorgenorniflen
werden sollen, synchron mit der Absenkung des Gerätes 10 durch das Bohrloch 12 vorzuschieben.
Für das vorliegende Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß die Schaltkreisel8a
so ausgelegt sind, daß sie ein Ausgangssignal erzeugen, welches die Wirkkomponente
des Erdformationsstromes wiedergibt. In diesem Fall dient das Registriergerät 28
zur fortlaufenden Aufzeichnung der Formationsleitfähigkeiten entlang der gesamten
Länge des Bohrlochs 12.
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Betrachtet man nunmehr das Spulensystem in seinen Einzelheiten, so
enthält der untere Teil des Gerätes 10, der das Tragorgan 17 bildet, einen langgestreckten
inneren Kern 32. Dieser Kern 32 ist aus nichtleitendem, nichtmagnetischem Material,
wie glasfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt. An dem Kern 32 des Tragorgans
17 ist das Spulensystem befestigt, das aus den Sendespulen T1 und T2 und den Empfangsspulen
R1, R2 und R3 besteht. Jede dieser Spulen besteht beispielsweise aus einer einzigen
Drahtwindung, die um den Kern 32 herumgelegt und in eine Aussparung eingelegt ist.
Diese Spulen sind in einem Längsabstand voneinander auf dem Kern 32 angeordnet.
Die Sendespulen T1 und T2 sind elektrisch in Reihe gegeneinandergeschaltet, und
die Gruppe ist als Ganzes an einen Schaltkreis angeschlossen, der in dem unteren
Teil 18 a des Gehäuses 19 enthalten ist. Die hierfür erforderlichen Verbindungsdrähte
sind nicht gezeigt und liegen entweder in Längsaussparungen in dem Kern 32 oder
können auch durch einen mittleren Kanal im Kern 32 hindurchgeführt oder auf beide
Arten verlegt sein. In ähnlicher Weise sind die Empfangsspulen R1, R2 und R3 elektrisch
miteinander verbunden, wobei die Spule R1 einen entgegengesetzten Wicklungssinn
zu dem der Spulen R2 und Ra besitzt. Diese Spulengruppe ist als Ganzes an zugeordnete
Schaltkreise in dem unteren Teil 18 a des Gehäuses 18 mittels nicht dargestellter
Leiter angeschlossen.
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In der F i g. 2 ist ein Ausschnitt eines waagerechten Querschnittes
durch das Gerät 10 entsprechend der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1 dargestellt, aus
dem die Ausbildung der Sendespule Ti näher ersichtlich ist.
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Vom Mittelpunkt aus gesehen zeigt F i g. 2 den Kern 32 mit einem in
der Längsrichtung sich erstreckenden mittleren Kanal 33. Eine innere elektrostatische
Abschirmung 34 ist in Isoliermaterial 35, z. B. Gummi, eingebettet, und die Abschirmung
34 und die Isolierung 35 umgeben den Kern 32. Um das Isoliermaterial 35 herum ist
eine Drahtwindung 36 der Sendespule T1 herumgelegt. Diese wiederum ist von einer
äußeren elektrostatischen Abschirmung 37 umgeben, die in geeignetes Isoliermaterial
38, z. B. Gummi, eingebettet ist. Die Spule Tl, die Abschirmungen 34 und 37 und
die Schichten aus Isoliermaterial 35 und 38 befinden sich in einer Ausnehmung des
Kerns 32 in Länge der Spule T. Ähnliche Ausbildungen sind für die anderen Spulen
T2, Rl, R2 und R3 vorgesehen.
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Die elektrostatischen Abschirmungen 34 und 37 bestehen aus einer
Mehrzahl von eng beieinanderliegenden, in der Längsrichtung sich erstreckenden Drahtleitern,
die in Abständen auf einem zur Längsachse des Kerns 32 konzentrischen Umfang angeordnet
sind. Die einzelnen Leiter sind an ihrem einen Ende sorgfältig elektrisch miteinander
verbunden, so daß keine geschlossenen Schleifen entstehen, und die ganze Gruppe
ihrerseits ist wiederum elektrisch mit der Absenkelektrode 21 und einem Erdungspunkt
an der Erdoberfläche, beispielsweise über den geerdeten Energiespeiseleiter 24,
verbunden. Die elektrostatischen Abschirmungen 34 und 37 verhindern das Einschleusen
von irreführenden Signalen in das Spulensystem infolge Änderungen der Kapazitäten
in dem Bohrloch.
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Im folgenden soll das Elektrodensystem für die Aussendung des Stromes
unmittelbar in die angrenzenden Erdformationen beschrieben werden. Das Elektrodensystem
ist ebenfalls an dem Tragorgan 17
befestigt. Es weist eine mittlere Meßstromaussendeelektrode
A,, entsprechende obere und untere potentialaufnehmende Elektroden M, und M2 und
entsprechende obere und untere Hilfsstromaussendeelektroden A, auf. Diese Elektroden
bilden ein kompliziertes fokussierendes Vielelektrodensystem, bei dem der Einfluß
der Bohrlochspülung auf das Meßergebnis weitgehend ausgeschaltet ist. Das in Fig.
1 dargestellte Elektrodensystem ist aber nur als Ausführungsbeispiel anzusehen.
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Um die Stromaussendeelektroden A0 und A1 zu speisen und die von den
potential aufnehmenden Elektroden Mr und M2 empfangenen Signale auszuwerten, sind
in dem oberen Teil 18 b des Gehäuses 18 geeignete Schaltkreise untergebracht. Diese
Kreise erzeugen ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der angrenzenden
Erdformationen. Diese Kreise sind so ausgeführt, daß die Stromsendeelektroden A0
und A, Ströme mit einer von der Frequenz des Spulensystems stark abweichenden Frequenz
von z. B. 400 Hz aussenden.
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Das sich ergebende Ausgangssignal des Elektrodensystems wird mittels
eines zusåtzlichen Leiterpaares im Kabel 14 übertragen und danach mittels eines
zusätzlichen Paares von Kommutatoren 25 und eines Paares von Leiteren 40 und 41
einem Registriergerät 42 zugeleitet, das ebenfalls durch das Antriebsrad 29 und
das Lenkgestänge 30 angetrieben wird, um eine fortlaufende Aufzeichnung der Formationsleitfähigkeit
als Funktion der Tiefe des Gerätes 10 in dem Bohrloch 12 zu erhalten. Wie zuvor
wird den elektrischen Kreisen in dem Gehäuseteil 18 b elektrische Energie durch
die Spannungsquelle22 an der Erdoberfläche zugeleitet. Mittels geeigneter nicht
dargestellter Verbindungsleiter zu der Absenkelektrode 21 an der Hülse 20 des Kabels
14 wird die Stromrückkehr bewerkstelligt und ein Potentialbezugspunkt für die Elektrodenkreise
geschaffen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kern 32 von einer
länglichen Hülse 44 umschlossen, die ebenfalls aus nichtleitendem, nichtmagnetischem
Material, wie glasfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt ist. An der Außenseite
der Hülse 44 ist das Elektrodensystem befestigt, das von den im Längsabstand angeordneten
Elektroden A,, Ml, M2 und Ai gebildet wird. Jede dieser Elektroden weist eine von
einem Leiter verhältnismäßig kleiner Querschnittsfläche gebildete geschlossene Schleife
und eine Mehrzahl von leitenden Teilelektroden auf, die relativ große Oberflächen
besitzen und mit der Schleife elektrisch verbunden sind. Für den Fall der unteren
ElektrodeMt z.B. wird die geschlossene Schleife von einem Draht 45 kleinen Durchmessers
gebildet, während die Teilelektroden die Form von Platten 46 verhältDis«ßig geringer
Stärke und relativ ausgedehnter Oberfläche besitzen.
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Wie aus der Querschnittsdarstellung der F i g. 2 ersichtlich, sind
die Teilelektroden 46 in die Außenseite der Hülse 44 eingelegt, wobei ihre Außenflächen
der Bohrlochspülung 13 im Bohrloch 12 zugekehrt liegen.
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Die Teilelektroden 46 sind über den Umfang der Hülse 44 verteilt angeordnet,
um eine Elektrode in Form eines mehrfach aufgeschnittenen Ringes zu bilden, der
die Längsachse des Tragorgans 17 umschließt.
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Der zu einer Schleife geschlossene Leitungsdraht 45 ist konzentrisch
zu den Teilelektroden 46 in die Hülse 44 eingebettet und elektrisch mit jeder derselben
verbunden.
Auf diese Weise kann der geschlossene Leiter 45 gegenüber der Bohrlochspülung 13
elektrisch isoliert werden. In diesem besonderen Fall jedoch, wo der geschlossene
Leiter 45 unmittelbar unter den Teilelektroden 46 liegt, ist es nicht wichtig, daß
er gegenüber der Bohrlochspülung 13 isoliert wird, weil er den Elektrodenbereich,
aus dem Strom ausgesandt wird, nicht ändert. Die geschlossene Schleife braucht nicht
aus einem durchgehenden Drahtstück zu bestehen, sondern kann sich aus einzelnen,
miteinander verbundenen Leitersegmenten zusammensetzen.
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Eine andere Form der Elektrode gemäß der Erfindung ist für den Fall
der unteren Elektrode A gezeigt. Die Ausbildung dieser Elektrode ist im Längsschnitt
aus Fig. 3 ersichtlich. Hier ist ein zu einer Schleife geschlossener Leiter 47 gegenüber
der Mehrzahl von Teilelektroden 48 in der Längsrichtung versetzt angeordnet. In
diesem Fall ist eine Mehrzahl isolierter Leiter 49, die einen verhältnismäßig kleinen
Querschnitt besitzen, einzeln je mit einer der verschiedenen Teilelektroden 48 elektrisch
verbunden; die Leiter 49 erstrecken sich in der Längsrichtung längs des Tragorgans
oder der Hülse 44 zu dem geschlossenen Leiter 47 und sind mit diesem elektrisch
verbunden. Für diesen Fall ist es bedeutungsvoll, daß der geschlossene Leiter 47
gegenüber der Bohrlochspülung 13 elektrisch isoliert wird, andernfalls Strom aus
ihm ausgesandt wird, so daß sich die Längsdimension der Elektrode soweit erstrecken
würde.
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Eine solche Isolation kann dadurch geschaffen werden, daß man den
geschlossenen Leiter 47, wie gezeigt, in die Hülse 44 einbettet. In ähnlicher Weise
können die in der Längsrichtung sich erstreckenden Leiter 49 durch Einbetten in
die Hülse 44 isoliert werden.
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Jede der Elektroden A,, M1, M2 und A1 ist mit zugeordneten Schaltkreisen
elektrisch verbunden, die in dem oberen Teil 18 b des Gehäuses 18 enthalten sind.
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Hierzu dienen geeignete Leitungsdrähte, die längs der Hülse 44 verlaufen.
Diese Drähte sind in F i g. 1 nicht gezeigt; sie sind elektrisch an die geschlossenen
Leiter angeschlossen und in Längsrinnen in der Hülse 44 eingelagert, wobei die Rinnen
mit Isoliermaterial ausgefüllt werden, nachdem die Leiter an Ort und Stelle gebracht
sind.
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Um zu verhindern, daß irgendwelche Druckunterschiede zwischen dem
Inneren'und Äußeren der Hülse 44 infolge des Vorhandenseins der Bohrloch spülung
auftreten können, indem die Bohrlochspülung zwischen den Kern 32 und die Hülse 44
einsickert, welche Druckunterschiede dazu führen können, daß die Hülse aufreißt,
wenn der Bohrlochdruck beim Hochziehen des Gerätes abnimmt, sind ein oder mehrere
Druckausgleichsöffnungen, wie die Öffnung 58 in der Hülse 44, vorgesehen.
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Wenn erwünscht, können die beiden Registrierungsgeräte 28 und 42
zu einer einzigen Einheit vereinigt werden, um eine Doppelaufzeichnung auf einem
einzigen Film zu ermöglichen. Anstatt die Signale unmittelbar den Registrierungseinheiten
28 und 42 zuzuleiten oder als zusätzliche Maßnahme können diese Signale zunächst
von dafür vorgesehenen Schaltkreisen modifiziert und erst dann den Registrierungsgeräten28
und 42 oder anderen Registrierungseinrichtungen zugeleitet werden. Zum Beispiel
kann ein Verhältniskreis dazu benutzt werden, um ein modifiziertes Signal entsprechend
dem Verhältnis der Elek-
troden- und Spulensystem-Signale zu erzeugen, wobei ein
solches Verhältnissignal eine Anzeige über die Formations-Anisotropie liefert.
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Die Arbeitsweise des Elektrodensystems wird durch das Vorhandensein
der Spulen nicht beeinträchtigt, wenn diese so, wie in F i g. 1 gezeigt, angeordnet
sind.
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Wie schon erwähnt, werden die Systeme mit verschiedenen Frequenzen
betrieben, so daß kein Problem der Signalvermischung besteht. Das Vorhandensein
der Elektroden in enger Nähe der Spulen beeinträchtigt dagegen die Arbeitsweise
des Spulensystems, was zu der Ausbildung der Elektroden gemäß der Erfindung Veranlassung
gibt. Denn das Spulensystem für Bohrlochmessungen ist gegen das Vorhandensein von
leitendem Material, aus dem die Elektroden bestehen, sehr empfindlich, weil das
Spulensystem in solche Elektroden Wirbelströme induziert, welche ihrerseits unerwünschte
oder irreführende Anzeigen in das Spulensystem zurückinduzieren.
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Es handelt sich dabei um ein schwieriges Problem, weil das erwünschte
Ausgangssignal des Spulensystems, das auf den Stromfluß in der Formation zurückzuführen
ist, im allgemeinen verhältnismäßig klein ist und häufig dieselbe Größenordnung
besitzt, wie das Fehlsignal, das auf die Wirbelströme in den Elektroden zurückgeht.
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Aus diesen allgemeinen Überlegungen schälen sich zwei Dinge heraus.
Einerseits ist das Spulensystem äußert empfindlich gegen geschlossene Leitwege,
die konzentrisch zur Spulenachse liegen; für das Gerät nach F i g. 1 sind dies zu
der Längsachse des Trägers 17 konzentrisch geschlossene Leitwege. Solche geschlossenen
Leitwege sollten somit eigentlich vermieden werden. Andererseits sollten die Oberflächendimensionen
der einzelnen Elektroden, besonders in der Umfangsrichtung, sehr klein gehalten
werden.
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Uberlegungen dieser Art wurden bei der Konstruktion der in Verbindung
mit F i g. 2 erwähnten elektrostatischen Schirme 34 und 37 angestellt.
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Für Elektrodensysteme indes hat sich in vielen Fällen herausgestellt,
daß diese Forderungen in direktem Widerspruch zu den für eine zufriedenstellende
Arbeitsweise des Elektrodensystems benötigte Größen und Formen der Elektroden stehen.
Dies trifft besonders für den Fall der fokussierenden Elektrodensysteme zu, wo insbesondere
die Stromaussendeelektroden eine verhältnismäßig große Oberfläche haben müssen,
um die erforderlichen Ströme aussenden zu können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Lösung für dieses Problem
dadurch geschaffen worden, daß man eine neue Elektrodenausbildung wählt, bei der
der Widerstand der einzelnen Elektroden in Umfangsrichtung stark erhöht ist und
damit die Wirbelströme geringe Werte besitzen.
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Bei dieser neuen Form der Elektrodenausbildung ist man davon ausgegangen,
daß der Gebrauch geschlossener Leitwege in enger Nähe der Spulen nicht nur schädlich
zu sein braucht. In der Tat ist festgestellt worden, daß, wenn solche geschlossenen
Leitwege mit den erfindungsgemäßen Formen der Elektroden, nämlich gesonderten, parallel
zur Spulenachse gelegenen Leitflächen, kombiniert werden, entgegenwirkende Effekte
hervorgerufen werden, die zur Kompensation der Wirbelströme in den geschlossenen
Schleifen herangezogen werden können. Dies würde sich aus den verschiedenen Wirbelstromrichtungen
in den verschiedenen leitenden Elementen ergeben.
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Um über diese Theorie Gewißheit zu erhalten, ist eine Reihe von Versuchen
durchgeführt worden, deren Ergebnisse in graphischer Form in F i g. 4 veranschaulicht
sind. Die Werte für die graphische Darstellung der Fig. 4 wurden dadurch erhalten,
daß man ein Spulensystem der F i g. 1 benutzte, wobei das Gerät entfernt von irgendwelchen
nennenswert leitenden Körpern aufgestellt war. Eine nichtleitende nichtmagnetische
Hülse, ähnlich der Hülse 44 der Fig.1, jedoch mit dem wesentlichen Unterschied,
daß sie keine Elektrode und keine eingebetteten Leiter enthielt, war über den Spulenkern
in ähnlicher Weise wie in Fig.1 gezogen. Elektroden wurden dann längs der Außenfläche
der Hülse von ihrem einen zu ihrem anderen Ende bewegt und die sich ergebenden Ausgangssignale
des Spulensystems beobachtet. Zuvor war das Spulensystem bei Fehlen jeglicher Elektrodenelemente
auf Null-Ausgang eingestellt worden.
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In der graphischen Darstellung der Fig.4 entspricht die Abszissenachse
den verschiedenen Lagen längs der Hülse für eine gegebene Elektrode, während die
Ordinatenachse den verschiedenen Werten der Widerstandskomponente des Ausgangssignals
des Spulensystems entspricht. Die Lagen der verschiedenen Spulen Ts, T2, Rt, R2
und R3 des Spulensystems sind längs der Abszissenachse der Fig. 4 in ausgezogener
Form angegeben.
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Die Spulensystemreaktion auf einen Satz kleiner, elektrisch unterbrochener,
leitender Platten, die den leitenden Teilelektroden 46 der unteren Elektrode Ml
der F i g. 1 entsprechen, die in der F i g. 4 rechtzeitig erscheint, ist durch die
starke Kurve S der Fig.4 angezeigt. Die leitenden Platten waren so angeordnet, daß
sie einen die Hülse 44 einschließenden unterbrochenen Ring bildeten. In diesem Fall
waren keine zu Schleifen geschlossene Leiter vorhanden. Die Werte für die Kurve
S wurden dadurch erhalten, daß man die Gruppe als Ganzes von einem Ende der Hülse
44 zum anderen bewegt hat. Die Reaktion für diese Art einer »Elementarelektrode«
soll als »Oberflächenreaktion« bezeichnet werden.
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Die Ausgangssignale, die der Aufzeichnung des Diagramms der F i g.
4 zugrunde gelegen haben, sind die Fehl- oder irreführenden Signale, die in das
Spulensystem als Folge der in die Elektroden induzierten Wirbelströme induziert
wurden. Diese Wirbelströme haben eine Polarität oder Fließrichtung, die von der
Lage der Teilelektroden zu den Sendespulen T1 und T2 abhängig ist, welche Spulen
Magnetfelder entgegengesetzter Polarität erzeugen. In ähnlicher Weise hängt die
Amplitude dieser Wirbelströme von der Lage der Teilelektroden zu den Spulen ab.
Bei einer gegebenen Amplitude und Polarität des Wirbelstromes hängen dann die Amplitude
und die Polarität des in die Empfangsspulen induzierten verbleibenden Fehlersignals
von der Relativlage der Teilelektroden zu den Empfangsspulen und speziell von dem
Flächenwindungsprodukt und dem Windungssinn der den leitenden Teilelektroden am
nächsten gelegenen Empfangsspule ab. So ist für gewisse Lagen der leitenden Teilelektroden
der reine Effekt an den Empfangsspulen negativ, während in anderen Lagen der reine
Effekt positiv ist. Auch kann in gewissen Gegenden der reine Effekt im wesentlichen
Null betragen, d. h., es wird nahezu kein Fehlerausgangssignal auftreten. Diese
Stellen werden aus der F i g. 4 deutlich.
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Es ist ersichtlich, daß der am meisten empfindliche
Bereich des Spulensystems
für leitende Elemente mit ausgedehnter Oberfläche, wie die bereits erörterten leitenden
Platten, nahe dem Zentrum des Spulensystems in der Nähe bei und zwischen den Hauptsende-
und Empfangsspulen T1 und R, liegt.
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Um zu verstehen, wie verschiedene Formen der leitenden Flächenelemente
die Reaktionskurve S der Fig.4 beeinflussen, soll der Effekt der Änderung der Anzahl
und der Dimensionen der Teilelektroden hierauf erörtert werden. Für ein gegebenes
Spulensystem, das mit einer gegebenen Frequenz und einem gegebenen Wert für den
durch die Sendespule iließenden Strom arbeitet, ist die Form der Reaktionskurve
für ein einzelnes Leitelement von der Leitfähigkeit, der Stärke, der Oberflächenform,
-fläche und Lage des Leitelements zur Spule abhängig. Wo eine Mehrzahl von verschiedenen
einzelnen Elementen benutzt wird, kann die reine Reaktionskurve dadurch erhalten
werden, daß man die einzelnen Reaktionskurven entsprechend überlagert und ihre Ordinatenwerte
algebraisch addiert. Wo die Mittelpunkte der Elemente auf derselben Umfangslinie
senkrecht zur Hülsenachse gelegen sind, können die einzelnen Reaktionskurven direkt
überlagert werden. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, müssen die einzelnen
Reaktionskurven um einen Betrag verschoben werden, der gleich ist dem Abstand der
Mittelpunkte, in Axialrichtung, bevor die Ordinatenwerte algebraisch addiert werden.
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Im Fall der Teilelektroden 46 der unteren Elektrode Ml, wenn die
Dimensionen und Leitfähigkeiten der einzelnen Teilelektroden die gleichen sind und
die Mittelpunkte in derselben Lage längs der Hülse gelegen sind, kann die Gesamtreaktion
durch Multiplikation der Reaktion für eine einzelne Teilelektrode mit der Zahl der
die Hülse umschließenden Teilelektroden erhalten werden. Das Zufügen oder Wegnehmen
von Teilelektroden dient so dazu, die Größe der Reaktionskurve S zu erhöhen oder
zu verringern, hat jedoch sonst keinen entscheidenden Einfluß auf die Form einer
solchen Reaktionskurve.
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Betrachtet man den Fall einer einzelnen Teilelektrode mit ausgedehnter
Fläche, so wird die Vergrößerung der Umfangsdimension zu dem gleichen Effekt auf
die Reaktionskurve führen, wie die Erhöhung der Anzahl der die Hülse umschließenden
Teilelektroden.
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In diesem Fall ist es jedoch wichtig, dabei in Betracht zu ziehen,
daß die Reaktion für eine Teilelektrode mit gegebener Umfangsdimension nicht die
gleiche ist wie die Reaktion für zwei gesonderte Teilelektroden mit je einer halben
Umfangsdimension des einzelnen Elements. Mit anderen Worten, für den Fall, wo es
erwünscht ist, eine korrekte quantitative Reaktion zu erhalten, ist die Technik,
eine zusammengesetzte Reaktionskurve durch algebraische Addition der einzelnen Reaktionskurven
zu erhalten, nur anwendbar, wenn die Teilelektroden im wesentlichen ihre Identität
gesondert beibehalten.
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Für die Betrachtung der Effekte bei Änderung der Längsdimensionen
ausgedehnter Flächenelemente sei zunächst der Fall von zwei getrennten Teilelektroden
ins Auge gefaßt, die hintereinander in einer Längsrichtung parallel zur Achse der
Hülse angeordnet sind. In diesem Fall kann die zusammengesetzte Reaktionskurve durch
Verschieben einer der »Elementar«-Reaktionskurven um einen Betrag, der gleich ist
dem Mittelpunktsabstand der Elemente, und durch darauffolgende algebraische Addition
der Ordinatenwerte
der beiden Elementarreaktionskurven erhalten
werden. In der Reaktionskurve wirkt sich dies so aus, daß die Abszissenwerte der
Kurve auseinandergezogen und die Spitzen der Ordinatenwerte verringert werden. Wenn,
anstatt zwei gesonderte Teilelektroden zu verwenden, die Längsdimension einer einzelnen
Teilelektrode vergrößert würde, würde derselbe Effekt zu verzeichnen sein, obwohl
er nicht quantitativ dem Effekt gleich sein wird, der mit getrennten Teilelektroden
zu erhalten ist, die die gleiche Gesamtfiäche ausmachen. Diese Technik des Vergrößerns
der Längsdimension kann in gewissen Fällen vorteilhaft angewandt werden, um die
Spitzenfluktuationen in der Teilelektrodenreaktion herabzumindern, speziell, wo
eine Teilelektrode in einer kritischen Relativlage zu dem Spulensystem plaziert
werden muß.
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Betrachtet man nun die Reaktion des Spulensystems auf einen Leiter
in geschlossener Schleife, so ist die Widerstandskomponente einer solchen Spulensystemreaktion
durch die gestrichelte Kurve L der Fig. 4 dargestellt. Diese Reaktion sei als »Schleifenreaktion«
des Spulensystems bezeichnet. Bei der Aufzeichnung dieser Reaktionskurve waren keine
leitenden Elemente mit ausgedehnter Oberfläche vorhanden, und es war nur eine einzige
geschlossene Schleife von verhältnismäßig geringem Drahtdurchmesser benutzt worden.
Wie aus der Kurve L hervorgeht, ist die Systemreaktion in gewissen Bereichen positiv,
in anderen Bereichen negativ und schließlich noch in weiteren Bereichen im wesentlichen
Null. Die Amplituden- oder Ordinatenwerte dieser Reaktionskurve sind von der Leitfähigkeit
und dem Durchmesser des benutzten Drahtes abhängig. Wie vorher, kann die zusammengesetzte
Reaktion für mehr als einen geschlossenen Leiter dadurch erhalten werden, daß man
die »elementaren« Reaktionslrurven für einzelne Schleifen entsprechend überlagert
und ihre Ordinatenwerte algebraisch addiert.
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Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, ruft ein Draht von verhältnismäßig
kleinem Durchmesser eine Reaktion von derselben Größenordnung hervor wie diejenige
bei einem Satz leitender Teil elektroden ausgedehnter Oberfläche. Demgemäß ist das
Spulensystem gegenüber dem Vorhandensein solcher geschlossener Leiter sehr empfindlich,
und daher sollte im allgemeinen die Zahl und Längs dimension solcher Leiter gering
gehalten werden, um von der Schleifenreaktion herrüh rende Fehlsignale in vernünftigen
Grenzen zu halten. Folgerichtig wird bei den hier behandelten Ausführungsformen
für jede der Elektroden nur ein einziger zu einer Schleife geschlossener Leiter
verwendet.
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Bei der Reaktionskurve L der F i g. 4 lag die Ebene des geschlossenen
Leiters senkrecht zur Längsachse der Hülse. In gewissen Fällen jedoch kann'es wünschenswert
sein, die Ebene des geschlossenen Leiters zu neigen, so daß sie unter einem Winkel
zur Senkrechten verläuft. Die Folge hiervon ist, daß die Abszissenwerte der Reaktionskurve
auseinandergezogen und die Spitzengrößen der Ordinatenwerte verringert werden. Diese
Technik wird zuweilen insbesondere in empfindlichen Spulensystembereichen vorteilhaft
angewandt.
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Die Flächenreaktionslcurve S der F i g. 4 wurde für einen Satz leitender
Elemente erhalten, die den Teilelektroden 46 für die untere Elektrode M1 entsprechen.
Wenn die Teilelektroden für die anderen Elektroden dieselbe Leitfähigkeit und dieselben
Dimen-
sionen besitzen und sie in der Zahl gleich sind, dann ist dieselbe Reaktionskurve
S auch für solche anderen Elektroden verwendbar und kann dazu benutzt werden, um
die gesamte Spulensystemreaktion für alle Elektroden zu bestimmen. Im Fall der F
i g. 1 haben die Elektroden A,, Mi und M2 eine identische Ausführung, so daß diese
Situation hier vorliegt. Die Ai-Elektroden dagegen sind mit den anderen Elektroden
identisch, mit der Ausnahme, daß die Teilelektroden etwas größere Längsdimensionen
besitzen.
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Die Folge hiervon ist, daß die KurveS nur näherungsweise für die Ai-Teilelektroden
korrekt ist.
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Trotzdem ergibt sich ein ausreichend genaues Bild über den Effekt,
den diese Elektroden auf die gesamte Systemreaktion ausüben.
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In ähnlicher Weise hat die Schleifenreaktionskurven für die verschiedenen
geschlossenen Leiter nur Geltung, wenn die verschiedenen Schleifen dieselbe Leitfähigkeit
und denselben Drahtdurchmesser besitzen. Wie zuvor wurde die Kurve L für den geschlossenen
Leiter 45 der unteren Elektrode M aufgenommen und gilt gleichfalls für die geschlossenen
Leiter der Elektroden A0, M1 und M2, die mit dem Leiter der unteren Elektrode M1
identisch sind. Die geschlossenen Leiter der Elektrode A1 hatten jedoch einen etwas
größeren Drahtdurchmesser mit einer höheren Leitfähigkeit. Demgemäß ist die Kurve
L nur näherungsweise für die geschlossenen Leiter der Elektrode A1 korrekt. Der
Grund hierfür, daß sich die Elektroden unterscheiden, ist der, daß sie einen wesentlich
niedrigeren Widerstand besitzen sollten, um die Aussendung benötigter größerer Ströme
zu erleichtern.
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Aus der F i g. 4 geht hervor, daß in gewissen Bereichen die »Oberflächenreaktion«
der KurveS in der Polarität entgegengesetzt zur »Schleifenreaktion« der Kurve L
verläuft. Dies ist besonders in dem kritischen Bereich zwischen der Sendespule T1
und der Empfangsspule R3 der Fall. Bei der Auslegung des Elektrodensystems ist darauf
Bedacht zu nehmen, die Elektroden so zu plazieren, daß die verbleibende Störsignalrealçtion,
die in das Spulensystem induziert wird, ein Minimum beträgt. Zu diesem Zweck ist
es möglich, eine Elektrode so anzuordnen, daß die »Oberflächenreaktion« die »Schleifenreaktion<r
aufhebt. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist dies für die Elektrode A0 geschehen.
In ähnlicher Weise wird eine teilweise Aufhebung der »Schleifen«- und »Oberflächenreaktionen«
für die obere Elektrode M2 erhalten. Andererseits sind einige der Elektroden, wie
die oberen Elektroden A1 und Mi und die untere Elektrode 62, in Bereichen angeordnet,
wo die Reaktion im wesentlichen Null ist, während die untere Elektrode M1 sich in
einem Bereich befindet, bei dem die eine Reaktionspolarität vorherrscht. Um in dem
Spulensystem einen Ikompensationseffekt zu erzielen, sind die Elektroden so angeordnet,
daß das gesamte negative Fehlersignal durch das gesamte positive Fehlersignal ausgeglichen
wird. Um dieses Ergebnis zu erzielen, kann häufig von der für die Elektrode erläuterten
Technik Gebrauch gemacht werden, nämlich des Versetzens des geschlossenen Leiters
47 gegenüber den leitenden Elementen 48, um die erwünschte Totalkompensation zu
erhalten.
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Anstatt das Elektrodensystem auf die Induktion eines Nullfehlers
in das Spulen system auszulegen, kann es wünschenswert sein, das Elektrodensystem
so auszugestalten, daß es absichtlich einen gewünschten
Fehlbetrag
von einer ausgewählten Polarität einführt, was dazu ausgenutzt werden kann, um ein
sonstiges Fehlersignal, das in dem Spulensystem selbst auftritt, zu kompensieren.
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Bis jetzt ist nur die Reaktion des Spulensystems auf die Wirkkomponente
der Elektrodenimpedanz betrachtet worden, wobei diese Komponente in Phase mit dem
in den Sendespulen fließenden Strom liegt.
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Die induktive Blindkomponente der Elektrodenimpe danz dient indessen
auch dazu, eine in der Phase um 900 verschobene Komponente in die Empfangsspulen
einzuführen. Die Größe der sich an den Empfangs spulen relativ zu der Wirksignalkomponente
ergebenden Blindsignalkomponente hängt von dem Verhältnis des Elektrodenwirkwiderstandes
zum Elektrodenblindwiderstand ab.
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Die Beziehung zwischen diesen beiden Komponenten für eine gegebene
Elektrode an einer gegebenen Stelle ist in der graphischen Darstellung der F i g.
5 veranschaulicht. Auf der Abszissenachse der F i g. 5 sind die logarithmischen
Werte des Verhältnisses von RIX aufgetragen, wobei R die Wirkkomponente und X die
induktive Blindkomponente der Elektrodenimpedanz bezeichnen. Auf der Ordinationsachse
sind die Signalamplituden aufgetragen, die an den Empfangsspulen Rt, R2 und R3 auftreten.
Die Kurven der F i g. 5 wurden dadurch erhalten, daß die Blindkomponente X konstant
gehalten wurde und man den Wert der Wirkkomponente R für eine gegebene Teilelektrode
änderte. Die Wirkkomponente des Empfangsspulenfehlersignals als eine Funktion von
RIX ist durch die Kurve Er dargestellt, während die Blindkomponente durch die gestrichelte
Kurve E, dargestellt ist. Wenn der Wert der Blindkomponente geändert wird, wird
sich die Amplitude der beiden Kurven Er und Ex um denselben Faktor ändern, jedoch
bleibt die Relativlage beider Kurven unverändert. Zur Vereinfachung sei angenommen,
daß die Blindkomponente X einen gegebenen konstanten Wert besitzt oder, mit anderen
Worten, daß die absoluten Ordinatenwerte für die Kurven der F i g. 5 für einen gegebenen
Wert von X gelten.
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Die physikalische Deutung der Kurven der F i g. 5 ist die, daß für
kleinere Werte von R relativ zu X das Empfangsspulenfehlersignal hauptsächlich ein
Blindsignal ist, während es für große Werte von R relativ zu X hauptsächlich ein
Wirksignal ist. Auch wenn R sehr groß wird, nehmen beide, Wirk- und Blindsignalkomponente,
infolge der reduzierten Gesamtgröße des Wirbelstromflusses ab. Auch ist aus Fig.
5 ersichtlich, daß der Spitzenwert für die Er-Kurve auftritt, wenn R in der Größe
gleich X ist.
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Auch ist der Spitzenwert der Kurve gleich dem Doppelten des Spitzenwertes
der Kurve.
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Ein wichtiger Schluß aus den Kurven der Fig. 5 ist, daß, selbst wenn
die durch eine gegebene Teilelektrode in die Empfangsspulen eingeführte Wirksignalkomponente
klein ist, die Blindsignalkomponente trotzdem sehr groß sein kann. Dies ist der
Fall für Werte von R kleiner als X. In der Tat kann, wenn keine Vorsorge getroffen
wird, die Größe der Blindsignalkomponente den Wert überschreiten, der sicher durch
die Phasenselektionskreise in dem Spulensystem beherrscht werden kann. Im allgemeinen
wird es daher wünschenswert sein, die Elektroden oder zumindest die Mehrzahl von
ihnen so auszubilden, daß die Windkomponente R die Blindkomponente X übersteigt.
Auf diese Weise werden die Elektroden in
einem Bereich wie dem Bereich D2 der F i
g. 5 wirksam, wo beide, die Wirkkomponente und Blindfehlersignalkomponente, gering
sind.
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Für geschlossene Leiter aus Draht kann das Verhältnis von Wirkwiderstand
zu Blindwiderstand bei einer gegebenen Arbeitsfrequenz dadurch geändert werden,
daß man entweder die Leitfähigkeit oder den Durchmesser des Drahtes ändert. Im Fall
von Kupferdraht, der einen festen Leitfähigkeitswert besitzt, ist für eine Arbeitsfrequenz
von 20 kllz festgestellt worden, daß der Spitzenwert in der Er-Kurve, die dem Fall
entspricht, wo der Wirkwiderstand gleich ist dem Blindwiderstand für einen Draht
von etwa 0,45 mm Durchmesser, auftritt. Für Drähte mit kleinerem Durchmesser wird
der geschlossene Leiter in dem gewünschten Bereich rechts der Spitze in der E,-Kurve
arbeiten. Etwas größere Drahtdurchmesser können benutzt werden, wenn man Drahtmaterial
mit einem größeren Widerstand als Kupfer verwendet.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.1 wurden die geschlossenen Leiter
für die ElektrodenA0, M1 und M2 aus einem Widerstandsdraht geringen Durchmessers,
und zwar aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, hergestellt. Die Verwendung solcher
Widerstandsdrähte gewährleistet die Arbeitsweise in dem Bereich D2 der F i g. 5.
Die geschlossenen Leiter für die At-Elektroden waren aus Gründen der Erleichterung
der Stromaussendung aus 1,6-mm-Kupferdraht hergestellt, was dem Arbeitsbereich Dj
in der graphischen Darstellung der Fig.S entsprechen würde.
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Für geschlossene Leiter können die Wirkwiderstands- und Blindwiderstandswerte
entweder mathematisch aus den Abmessungen und Leitfähigkeitsparametern errechnet
oder auch durch eine Reihe von Versuchen bestimmt werden, bei denen nur ein einziger
Parameter geändert und die resultierende Wirkkomponente des Spulensystemausgangssignals
als Funktion des Parameters aufgezeichnet wird. In letzterem Fall gibt der Wert
des Parameters, bei dem die Spitze in dem Spulensystemausgangssignal auftritt, den
kritischen Wert an, bei dem R gleich X ist.
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Bei den Teilelektroden mit ausgedehnter Oberfläche ist der Widerstand
umgekehrt proportional der Leitfähigkeit und der Stärke der Teilelektrode. Angenommen,
die Oberflächendimensionen der Teilelektroden sind durch Erfordernisse des Elektrodensystems
festgelegt, so kann entweder die Leitfähigkeit oder die Stärke geändert werden,
um eine Arbeitsweise in dem Bereich zu erhalten, wo der Wirkwiderstand wesentlich
größer ist als der Blindwiderstand.
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In diesem Fall ist es schwierig, die Wirkwiderstände und Blindwiderstände
mathematisch zu berechnen, so daß die kritischen Werte leichter durch Beobachtung
der Änderungen in der Wirkkomponente des Spulensystemausgangssignals, wenn entweder
die Leitfähigkeit oder die Stärke der Teilelektrode geändert wird, bestimmt werden
können. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 waren die Teilelektroden mit ausgedehnter
Oberfläche aus Chrom-Nickel-Widerstandsmaterial geeigneter Stärke hergestellt, um
die Arbeiten über den oberen Bereich D2 der F i g. 5 zu gewährleisten. Es ist eben
schon dargestellt worden, wie die durch jede Teilelektrode eingeführte Signalkomponente
für sich in geeigneter Weise minimal gemacht werden kann. Als nächstes soll untersucht
werden, ob die durch eine oder eine Gruppe
von Teilelektroden eingeführten
Blindsignalkomponenten dazu gebraucht werden können, um die durch eine andere oder
eine andere Gruppe von Teilelektroden in der gleichen Weise eingebrachten Blindkomponenten
aufzuheben, so daß sich die Komponenten einander aufheben. Um dies zu bestimmen,
wurden »Schleifen-« und » Oberflächenreaktionskurven« ähnlich den in Fig.4 gezeigten
für das verbleibende, über die Empfangsspulen induzierte Blindsignal aufgenommen.
Diese Reaktionskurven waren im allgemeinen jenen der Wirkkomponente in der Form
ähnlich, außer daß sie im allgemeinen eine entgegengesetzte Polarität zu den entsprechenden
Teilen der Kurven für die Wirkkomponenten besaßen. Somit würde es in der Tat möglich
sein, dieselbe Art der Störsignalkompensation für die Blindkomponenten vorzusehen.
Ob die Signalkompensation primär für die Wirkkomponente oder primär für die Blindkomponente
vorgesehen werden sollte, hängt davon ab, ob der Formationswirkwiderstand oder der
Formationsblindwiderstand die Größe ist, die man messen will. Im vorliegenden Beispiel
ist die Formationsleitfähigkeit, der Reziprokwert des Formationswirkwiderstandes,
zu messen, und demzufolge sind es die Wirkstörsignalkomponenten, denen in der Behandlung
der Vorzug zu geben ist.
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Ob die Bedingung für die geringste verbleibende Wirldkomponente auch
der Bedingung für die geringste verbleibende Blindkomponente entspricht oder nicht,
hängt von den Wirkblindwiderstands-Verhältnissen der verschiedenen Elektroden ab.
Wenn alle Elektroden das gleiche Verhältnis von Wirk- zu Blindwiderstand besitzen,
dann wird der Minimalzustand für den einen Fall auch dem Minimalzustand für den
anderen Fall entsprechen. Wenn indessen die Verhältnisse von Wirk- zu Blindwiderstand
nicht überall die gleichen sind, dann wird dieses Ergebnis notwendigerweise nicht
erreicht. Dies trifft besonders zu, wenn die Verhältnisse von Wirk- zu Blindwiderstand
für einige Teilelektroden auf der einen Seite der Er-Kurvenspitze, während andere
auf der anderen Seite liegen. In solchen Fällen wird es im allgemeinen besser sein,
eine Mehrzahl der Teilelektroden so auszugestalten, daß in jedem Fall der Wirkwiderstand
im wesentlichen größer ist als der Blindwiderstand, um dadurch ein genügend kleines
Blindsignal an den Empfangsspulen zu erhalten, damit die Phasenselektionskreise
des Spulensystems nicht überlastet werden.
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Ein weiteres Merkmal ergibt sich in Verbindung mit F i g. 5: Die
durch die Er-Kurve angezeigte Wirkwiderstandscharakteristik kann dazu ausgenutzt
werden, die Stabilität der kombinierten Spulen- und Elektrodensysteme zu erhöhen.
Eine solche erhöhte Stabilität kann dadurch gewonnen werden, daß man einige der
Elektroden in dem unteren Dl-Bereich, während man andere in dem oberen D2-Bereich
arbeiten läßt. In diesem Fall wird jede Störung, wie z. B. eine Änderung in der
Temperatur, die den Widerstand aller Elektrodenelemente in einer ähnlichen Weise
zu beeinflussen sucht, entgegengesetzte Änderungen in dem verbleibenden Wirkwiderstandsstörsignal,
das in den Empfangsspulen induziert wird, hervorrufen. Wenn z. B. eine Temperaturerhöhung
verursachen sollte, daß die Teilelektrodenwiderstände -ansteigen, werden die in
dem unteren Bereich D1 wirksamen Teilelektroden stärker eine Wirksignalkomponente
einführen, wohingegen die in dem oberen Bereich D2 wirksamen Elemente eine geringere
Wirk-
komponente einführen werden, wobei das Ergebnis ein Minimum an Änderung in
der gesamten Wirksignalkomponente ist. Wenn das Gerät ursprünglich ausgelegt war,
um ein Wirkstörsignal von annäherndem Nullwert zu erzeugen, bedeutet dies, daß der
Null-Zustand ein Minimum an Störung erfahren wird.
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Bei Anwendung dieser Stabilisierungsart muß jedoch dafür Sorge getragen
werden, die Blindsignalkomponenten nicht den Betrag überschreiten zu lassen, der
von den Phasenselektionskreisen des Spulensystems sicher beherrscht werden kann.
Der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind gewisse Vorzüge dieser Stabilisierungsart
insofern eigen, als die geschlossenen Leiter für die A 1-Elektroden in dem unteren
Bereich wirksam sind, während der Rest der Elektrodenelemente in dem oberen Bereich
wirksam ist.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil, der aus der Verwendung des geschlossenen
Leiters und der Teilelektroden mit ausgedehnter Oberfläche bei einer zusammengesetzten
Elektrode resultiert, ist die sich ergebende erhöhte Stabilität, wenn die Elektrode
in der Gegenwart eines leitenden Mediums, wie der Bohrlochspülung 13, wirksam ist.
Bei der unteren Ml-Elektrode der F i g. 1 beispielsweise würden beim Fehlen des
geschlossenen Leiters 45 die leitenden Flächenelemente 46 noch in gewissem Ausmaß
durch die Bohrlochspülung 13 elektrisch miteinander verbunden sein, wenn sich das
Gerät im Bohrloch befindet. Mit anderen Worten, die leitende Bohrlochspülung würde
die Schleife durch Überbrückung der Zwischenräume zwischen den freiliegenden Außenflächen
der leitenden Elemente 46 schließen. Als ein Ergebnis würde die Arbeitsweise des
Spulensystems eine Änderung erfahren, sobald jedesmal das Gerät von einer keine
Bohrlochspülung enthaltenden Bohrlochgegend in eine solche überwechselt, die solche
Spülung enthält. Dies würde im besonderen das Ausbalancieren des Spulensystems erschweren,
wenn das Gerät an der Erdoberfläche in der Luft aufgehängt ist und diesen Zustand
fortlaufend beizubehalten, wenn das Gerät in die Bohrlochspülung abgesenkt wird.
Aber auch nachdem das Gerät in die Bohrlochspülung abgesenkt worden ist, würden
Änderungen in der Leitfähigkeit der Bohrlochspülung änderungen in dem Widerstand
der so gebildeten Schleife und demzufolge entsprechende Änderungen in den in das
Spulensystem induzierten Elektrodenstörsignalkomponenten verursachen, wodurch eine
nicht unerhebliche Unstabilität oder Unzuverlässigkeit in den Meßvorgang eingebracht
wird. Änderungen in der Leitfähigkeit der Bohrlochspülung würden sich sowohl aus
Änderungen in ihrer chemischen Zusammensetzung als auch aus Anderungen in bezug
auf Temperatur und Druck ergeben.
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Die Verwendung des zu einer Schleife geschlossenen Leiters 45 überwindet
dieses Problem, indem ein solcher geschlossener Leiter wie ein sehr niedriger Widerstandsnebenschluß
wirkt, der die Teil elektroden 46 untereinander verbindet und demzufolge irgendwelche
weitere Überbrückungsaktion durch die verhältnismäßig hochohmige Bohrlochspülung
im großen und ganzen keine Änderung in dem Elektrodenstörstromfluß verursacht. Mit
anderen Worten ist die Schleife stets durch einen Leiter von verhältnismäßig niedrigem
Widerstand geschlossen. Jeder zusätzliche Schluß durch die Bohrlochspülung wird
im Verhältnis dazu nur gering sein.
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Dies wird noch verdeutlicht, wenn man die Widerstände verschiedener
Elektrodenmaterialien mit den Widerständen der gebräuchlichen Bohrlochspülungen
vergleicht. Kupfer z. B. hat einen Widerstand von 0,017 m, während eine Nickel-Chrom-Widerstandslegierung
dagegen einen Widerstand von 1,08 FQm besitzt. Die am meisten leitende Art von Bohrlochspülung,
die üblich als salzige Spülung bezeichnet wird, hat andererseits einen Widerstand
von 50 - 103 FQ m. Selbst wenn also ein Draht von verhältnismäßig hohem Widerstand
benutzt wird, wird der geschlossene Leiter noch einen sehr niederohmigen Nebenschluß
im Verhältnis sogar zu der am besten leitenden Bohrlochspülung ausmachen. Wenn daher
das Elektrodensystem so ausgeführt ist, daß es ein Minimum an Störung in das Spulensystem
durch Verwendung von zu Schleifen geschlossenen Leitern einbringt, kann man sich
also darauf verlassen, daß dieser Minimalzustand ungeachtet irgendwelcher Änderungen
in der Bohrlochspülung oder in der Natur des die Elektroden umgebenden Mediums beibehalten
wird.
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Wird somit das Elektrodensystem unter Beachtung der vorstehenden
Erkenntnisse ausgeführt, kann die in das Spulensystem induzierte Störung im wesentlichen
auf Null reduziert werden, und dieser Zustand kann mit einem hohen Grad an Stabilität
aufrechterhalten werden. Als Ergebnis kann sogar ein kompliziertes Elektrodensystem
in dichter Nähe bei einem komplizierten Spulensystem angeordnet werden, indem die
beiden Systeme auf demselben Tragorgan mit den die Spulen umgebenden Elektroden
aufgebracht werden. Im besonderen können die Spulen-und Elektrodensysteme so angeordnet
werden, daß ihre Mittelpunkte einen minimalen Längsabstand aufweisen. Dies zeigt
die Ausführungsform der F i g. 1, in der das Mittelpunktsniveau oder das Tiefenbezugsniveau
des Spulensystems durch die Bezugslinie O, gekennzeichnet ist, während das Mittelpunktsniveau
des Elektrodensystems mit Oe bezeichnet ist. Man sieht hieraus, daß beide Systeme
die Formationsleitfähigkeit nahezu in der gleichen Tiefe des Bohrlochs messen.
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In F i g. 6 der Zeichnung ist eine abgeänderte Ausführungsform des
Elektrodensystems gezeigt, das zusammen mit dem vorher beschriebenen Spulensystem
benutzt werden kann. Das Spulensystem der F i g. 6 ist das gleiche, wie es bereits
im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde. Das Elektrodensystem der Fig. 6
ist wiederum ein fokussierendes System, das sich von dem System der Fig. 1 jedoch
dadurch unterscheidet, daß die Elektroden enger aneinandergerückt sind, und eine
Stromrückführungselektrode B an dem unteren Ende der Hülse 44 angebracht ist. Diese
Stromrückführungselektrode B hat die Form eines fortlaufenden Bandes aus leitendem
Material, das die Hülse 44 umgibt. Die Benutzung dieser »Pseudo-Masseelektrode«
B in Verbindung mit den geringeren Abständen der Elektroden A0,M1,M.2 und Al läßt
ein Elektrodensystem entstehen, aus dem der Meßstrom eine geringere seitliche Eindringtiefe
in die Formation besitzt als vergleichsweise beim Elektrodensystem gemäß F i g.
1.
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Weil die Elektroden des Elektrodensystems enger aneinandergerückt
sind und es wiederum erwünscht ist, daß das Meßniveau oder der Tiefenbezugspunkt
des Elektrodensystems ein Minimum an Längsabstand vom Mittelpunkt des Spulensystems
besitzt,
wird die Mehrheit der Elektroden oberhalb der äußerst empfindlichen Mittelgegend
des Spulensystems angeordnet. Dies ist aus dem Diagramm7 ersichtlich, das den Mittelteil
der Oberflächenreaktionskurve S und der Schleifenreaktionskurve L der Fig.4 mit
den Elektroden des Systems nach Fig. 6 zeigt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind die Teilelektroden 60 bis
63 der potentialaufnehmenden Elektroden Ml und M2 kreisförmig anstatt rechteckig
gestaltet und in der Oberfläche kleiner. Hierdurch wird die Größe der von den Teilelektroden
herrührenden Oberflächenreaktion verringert, während die potentialaufnehmende Funktion
dieser Elektroden in dem Elektrodensystem nicht ernsthaft beeinträchtigt wird. Im
Fall der Elektroden M, und M2 wird die Maßnahme des Versetzens der geschlossenen
Leiterschleife gegenüber den Teilelektroden mit ausgedehnter Oberfläche vorteilhaft
angewandt. Wie aus F i g. 7 zu ersehen ist, wird dadurch ermöglicht, daß die geschlossenen
Leiterschleifen 64 bis 67 von den empfindlicheren Gegenden der Schleifenreaktionskurve
L fortbewegt werden. Die untere Stromsendeelektrode Al ist so angeordnet, daß sich
die Schleifen-und Oberflächenreaktionen gegeneinander aufheben.
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Wie zuvor sind die verschiedenen Elektroden und Teilelektroden so
angeordnet, daß die gesamten negativen Widerstandsstörsignalkomponenten die gesamten
positiven Widerstandsstörsignalkomponenten aufheben werden, wodurch ein Minimum
an Widerstandsstörsignal am Ausgang des Spulensystems auftritt. Die Stromrückführungselektrode
B ist in einem genügenden Abstand von der unteren Sendespule T2 angeordnet, so daß
insgesamt fast kein Störsignal in das Spulensystem eingeführt wird.
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Während die in Verbindung mit den F i g. 1 und 6 behandelten Elektrodensystemarten
verhältnismäßig komplizierte Systeme darstellen, ist die neue Elektrodenausführung
gemäß der Erfindung aber auch dann nützlich, wenn einfachere Elektrodensysteme verwendet
werden, wenn z. B. das normale Zweielektroden-Widerstandssystem mit Spulensystemen
kombiniert wird. In einem solchen Fall ermöglichen Elektroden gemäß der vorliegenden
Erfindung eine gleichmäßigere und symmetrischere Stromaussendung ohne eine störende
Beeinträchtigung der Arbeitsweise des Spulensystems.