-
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung des Streichens,
des Fallsinnes und gegebenenfalls des Fallwinkels der von einer Bohrung durchschlagenen
Bodenschichten Zur Bestimmung der Richtung des Streichens, des Fallsinnes und gegebenenfalls
des Fallwinkels der von einer Bohrung durchschlagenen Bodenschichten hat man bisher
in den ungerohrten, mit Wasser und Schlamm gefüllten Bohrlöchern künstlich Potentialdifferenzen
erzeugt; es waren aber zur Durchführung dieser Verfahren ziemlich komplizierte Apparate
erforderlich.
-
Die Erfindung hat ein neues Verfahren zum Gegenstand, das sich mit
einem leicht zu bedienenden und einfachen Apparat durchführen läßt und auch bei
nicht homogenem Boden zuverlässige Meßergebnisse ergibt. Das Verfahren der Erfindung
beruht auf der Erscheinung der spontanen Polarisation.
-
In einem mit Wasser oder Schlamm angefüllten Bohrloch entstehen spontan
in der Höhe der porösen Schichten elektrische Ströme, die insbesondere von dem sog.
Strömungspotentialeffekt (Elektrofiltration) verursacht sind und die Ursache für
das Auftreten von leicht meßbaren Potentialdifferenzen bilden. Man kann diese Effekte
dadurch zur Erscheinung bringen, daß man in das das Bohrloch anfüllende Wasser (oder
Schlamm) eine bewegliche isolierte Elektrode hinabsenkt, die an der Oberfläche mit
einem Potentiometer verbunden ist, dessen andere Klemme geerdet ist. Man stellt
dann fest, daß, wenn die bewegliche Elektrode in die Höhe von porösen Schichten
gelangt, das Potentiometer die betreffenden Potentialdifferenzen registriert.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die in den
Diagrammen aufgezeichneten Potential differenzen sich in ganz scharfer Weise beim
Übergang von einer porösen Schicht zu einer nicht porösen Schicht ändern und klar
in dem aufgezeichneten Diagramm
selbst bei einer Verschiebung der
Meßsonde von nur einigen Zentimetern sichtbar sind.
-
Wenn man annimmt (Abb. I), daß ein senkrechtes Bohrloch S zylindrischer
Form eine poröse Schicht unter einem bestimmten Winkel durchschlägt, so entspricht
dieser Winkel dem Fallwinkel der Schicht. Die Trennebene P der beiden Schichten,
der nicht porösen und porösen, schneidet die zylindrische Wandung des Bohrloches
in einer geneigten Ellipse E, deren Scheitelpunkte A, A' in verschiedenen Höhen
liegen.
-
Mißt man die spontanen Potentialen an Punkten N, N', die in gleicher
Höhe im Bohrloch liegen, sich jedoch auf verschiedenen Seiten der Ebene der EllipseE
und in der Nähe der Bohrlochwandung befinden, so erhält man offensichtlich verschiedene
Werte, da der Punkt N sich beispielsweise gegenüber einer porösen Schicht befindet,
während der Punkt N' gegenüber einer nicht porösen Schicht liegt. Wenn somit das
Bohrloch geneigte poröse und nicht poröse Schichten durchschlägt, ändern sich die
spontanen Potentiale, die im Bohrloch vorhanden sind, nicht nur in Abhängigkeit
von der Tiefe, sondern ebenso bei in ein und derselben Höhe gelegenen Punkten nach
der Lage dieser Punkte zur Bohrlochwandung. Diese Änderungen des Potentials werden
selbst eine Funktion der Lage und der Größe des Einfallens der Schichten sein.
-
Die Erfindung besteht nun darin, daß die Werte des sich spontan in
der Flüssigkeit bildenden elektrischen Feldes in verschiedenen, räumlich genau festlegbaren,
quer zur Bohrlochachse und gegebenenfalls zusätzlich auch längs der Bohrung verteilten
Punkten mittels einer Vorrichtung, deren Lage und Orientierung im Bohrloch bekannt
ist, gemessen und miteinander verglichen werden.
-
Das Messen der Potential differenzen kann dabei durch Absenken einer
exzentrisch zur Bohrlochachse drehbaren oder mehrerer, in einer waagerechten Ebene
exzentrisch zur Bohrlochachse fest angeordneter Elektroden erfolgen.
-
Einige Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
sind in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht.
-
Abb. 2 erläutert einen Körper mit drei Elektroden, die in den Spitzen
eines gleichseitigen Dreiecks in einer Ebene senkrecht zur Achse des Körpers angeordnet
sind.
-
Abb. 3 zeigt das mit dem Körper nach Abb. 2 erhaltene Meßbild, wobei
die Messungen der Potential differenzen zwischen jeder der Elektroden und einem
festen Punkt auf dem Erdboden erfolgt sind.
-
Abb. 4 veranschaulicht das mit dem Körper nach Abb. 2 erhaltene photographische
Bild, das die Lage und Orientierung im Bohrloch festlegt.
-
Abb. 5 ist ein Schema, das zeigt, wie man aus den erhaltenen Diagrammen
die Lage und die Größe der Neigung, wenn die Achse des Bohrlochs senkrecht angenommen
ist, herleiten kann.
-
Abb. 6 ist ein Schema, das zeigt, wie man aus den erhaltenen Diagrammen
dieselben Feststellungen treffen kann, wenn die Achse des Bohrlochs nicht senkrecht
ist.
-
Abb. 7 erläutert eine andere Ausführungsform des in Abb. 2 dargestellten
Körpers.
-
In dieser Abbildung sind nur die Teile des Körpers dargestellt, die
eine Änderung erfahren haben.
-
Abb. 8 zeigt das mit dem abgeänderten Körper erhaltene Meßbild.
-
Abb. g veranschaulicht eine andere Ausführungsform des Körpers, der
eine einzige bewegliche Elektrode besitzt, die so eingerichtet ist, daß sie eine
Kreisbahn senkrecht zur Achse des Bohrlochs beschreibt.
-
Abb. 10 zeigt in vergrößertem Maßstab bestimmte Einzelheiten des
Körpers.
-
Abb. II ist ein Schema, das dazu dient, die Wirkungsweise des Körpers
nach Abb. g und 10 verständlich zu machen.
-
Abb. 12 zeigt ein mittels dieser Ausführungsform erhaltenes Meßbild.
-
In Abb. 2 bezeichnet I das Tragseil des in das mit Wasser oder Schlamm
angefüllte Bohrloch herabgelassenen Körpers, das von vier isolierten Leitern gebildet
wird, von denen drei in den Elektroden 2, 3, 4 enden.
-
Die Linie 5 umgrenzt den festen Körper, in dessen Inneres die an
den Elektroden 2, 3, 4 endenden drei Leiter sowie zusätzlich ein Leiter 15 eingeführt
sind, dessen Bestimmungszweck im folgenden erläutert wird.
-
Die drei Elektroden2, 3, 4 werden durch drei Seitenarme getragen,
derart, daß sie die Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks bilden, dessen Ebene senkrecht
zur Achse des Körpers 5 liegt. Die Seitenarme können einstellbar sein, damit die
Elektroden für jedes Bohrloch in die Nähe von dessen Wandung gebracht werden können.
-
An seinen Enden besitzt der Körper 5 Führungen 6 und 7, die in bekannter
Weise von mehreren Lamellen gebildet werden und sich elastisch gegen die Wandungen
des Bohrlochs anlegen können.
-
Diese Lamellen können mit Gummi o. dgl. verkleidet sein, um zu vermeiden,
daß sie elektrische Störungen hervorrufen.
-
An dem unteren Teil des Körpers 5 ist irgendeine bekannte Vorrichtung
8 angebracht, um die Lage der Elektroden und gegebenenfalls
die
Richtung und die Neigung der Achse des Bohrlochs gemäß Abb. 4 fortlaufend festzulegen.
Diese Vorrichtung weist beispielsweise eine photographische Kamera mit einem Objektiv
9, einen schaltbaren photographischen Film 10, eine Dosenlibelle mit Luftblase in
und eine Bussole 12 auf. Auf dem Gehäuse der Bussole können drei Zeichen 14 (Abb.
4) vorgesehen sein, die der Lage der drei Elektroden entsprechen. Der Körper 5 besitzt
außerdem eine Beleuchtungseinrichtung, die beispielsweise von einer durch eine kleine
Batterie oder über den Leiter 15 gespeisten elektrischen Lampe I3 gebildet wird.
-
Gleichzeitig mit der Registrierung auf dem Film Io gemäß Abb. 4 führt
man an den Elektroden 2, 3, 4 fortlaufende Messungen der an den Elektroden auftretenden
spontanen Potential differenzen in Funktion von der Absenktiefe des Körpers 5 durch.
Es ist im gezeichneten Beispiel angenommen, daß die Elektroden 2, 3, 4 an der Erdoberfläche
beispielsweise mit drei Potentiometern verbunden sind, die es gestatten, in fortlaufender
Weise drei Meßbilder der durch die spontane Polarisation erzeugten Potentialdifferenzen
aufzuzeichnen. Die Papierbänder, auf denen sich diese Meßbilder aufzeichnen, werden
proportional zu den Absenktiefen, z. B. durch die Zwischenschaltung einer kalibrierten
Druckscheibe, verschoben, die gegen das Tragseil anliegt. Vorzugsweise werden diese
Meßbilder in großem Tiefenmaßstab, beispielsweise im Verhältnis 1 : 1o oder sogar
1 :5, aufgezeichnet.
-
Wenn man gemäß Abb. I annimmt, daß das Bohrloch zwei Schichten, eine
poröse und eine nicht poröse, durchschlägt, die durch die Ebene P getrennt sind,
erhält man beispielsweise die drei Diagramme C, C' und C" auf dem Meßbild der Abb.
3, deren Ausrichtung und Vergleich Tiefenmarken f, f', f", die gleichzeitig in die
drei Diagramme im Verlauf der Registrierung eingetragen sind, gestatten. Diese Diagramme,
die sich untereinander ähneln, jedoch gegeneinander verschoben sind, können eines
aus dem anderen durch einfache Verlagerung in der Längsrichtung hergeleitet werden.
-
Es soll jetzt untersucht werden, wie diese Diagramme zur Bestimmung
der Richtung und des Richtungssinns der Schicht dienen können. Um die Erklärung
zu vereinfachen, sei zunächst angenommen, daß das betrachtete Bohrloch annähernd
senkrecht ist, was übrigens ein sehr häufiger Fall ist.
-
Man mißt beispielsweise die Unterschiede a und b (Abb. 3), die zwischen
dem Diagramm C, das der Elektrode 2 entspricht, und den Diagrammen C' und C" bestehen,
die den Elektroden 3 und 4 entsprechen.
-
In der Abb. 5 stellen die Geraden D, D', D" schaubildlich die Bahnen
der Elektroden 2, 3, 4 während der Registrierung dar, d. h. praktisch drei Erzeugende
des Bohrlochs. Wenn man diese drei Erzeugenden, die nach der Annahme senkrecht sind,
durch eine waagerechte Ebene schneidet, erhält man drei Punkten, M', M". Es genügt
dann, auf der Geraden D', ausgehend vom Punkt M', die Länge a und auf der Geraden
D", ausgehend vom Punkt M", die Länge b aufzutragen, wobei man selbstverständlich
dem für die Registrierung gewählten Tiefenmaßstab Rechnung zu tragen hat. Man erhält
auf diese Weise PunkteM, und M2, derart, daß die Punkte M, Mt, M2-die TrennungsebeneP
der Schichten bestimmen.
-
Gleichzeitig wird in der waagerechten Ebene M, M', M" die Nordrichtung
N in bezug auf das Dreiecks, M', M" durch die Lage der Spitze der Bussole 12 auf
der photographischen Platte (Abb. 4) angegeben.
-
Bei dieser Bestimmung ist sofort ersichtlich, daß auf Grund der durch
den Körper 5 ermittelten Größen die Lage der Ebene P gegenüber derjenigen der waagerechten
Ebene und der Richtung festgelegt ist. Man kann infolgedessen durch irgendein beliebiges
Verfahren der Berechnung, der graphischen Darstellung oder auch sonstwie die Lage
und die Größe des Einfallens ermitteln.
-
Es soll jetzt der Fall untersucht werden, daß das Bohrloch nicht
genau senkrecht ist (Abb. 6).
-
In diesem Fall befindet sich die Blase II der Dosenlibelle auf der
Photographie nicht mehr in der Mitte der Libelle, sondern annimmt eine Lage ein,
die einerseits dem Winkel der Achse des Bohrlochs mit der Senkrechten und anderseits
der Richtung der Senkrechten gegenüber den drei Erzeugenden D, D', D" entspricht.
Von irgendeinem Punkt 0 der Achse des Bohrlochs (Abb. 6) kann man dlso die Richtung
OV dieser Senkrechten einzeichnen.
-
Die senkrechte Ebene zu OV ist dann eine waagerechte Ebene, in dieser
gibt die magnetisierte Spitze die Nordrichtung ON an. Damit diese Bedingung streng
verwirklicht wird, verwendet man übrigens zur Vorsicht eine Bussolenadel, die in
einem Kardangestell angeordnet ist, so daß die Drehachse der Nadel ständig senkrecht
ist.
-
Im übrigen gilt die gleiche Bestimmung, die es in Abb. 5 gestattet
hat, ausgehend von den Punkten M, M', M", die in einer zu den Geraden D, D'>
Di senkrechten Ebene gelegen sind, die Punkte M, M1, M2 zu ermitteln, die die Ebene
P festlegen. Die Lage dieser Ebene gegenüber der waagerechten Ebene H und der Nordrichtung
ON ist dadurch festgelegt. Wie in dem vorhergehenden Fall, kann man nun
durch
ein beliebiges Verfahren der Berechnung, der graphischen Darstellung oder sonstwie
die Größe und die Richtung des Einfallens feststellen.
-
Abb. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Abb.
2. Die drei Elektroden2, 3, 4 sind mit drei Segmenten I6, I7, I8 eines Kollektors
verbunden, die über eine vom Motor 20 bewegte Bürste 19 und einen Kontakt 21 abwechselnd
mit einem einzigen elektrischen Leiter 43 in Verbindung kommen.
-
Der Leitungsdraht 43 ist an der Oberfläche z. B. mit einem Millivoltmeter
mit sehr geringer Zeitkonstante verbunden, das mittels irgendeiner bekannten Registrierungseinrichtung,
vorzugsweise einer photographischen, als registrierender Oscillograph arbeitet.
-
Der Motor 20 kann in beliebiger Weise angetrieben werden. Er kann
ein mechanischer Motor mit Uhrwerks antrieb sein, dessen Auslösung in beliebiger
Weise im Augenblick, wo die Messungen beginnen, bewirkt wird.
-
Er kann aber auch ebenso ein elektrischer Motor sein, der von einem
in dem Körper selbst untergebrachten Element oder von der Erdoberfläche her durch
besondere Leiter gespeist wird. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist folgende:
Nachdem der Körper im Bohrloch bis in die Höhe herabgelassen ist, in der die Messungen
vorgenommen werden sollen, setzt man den Motor in Betrieb, der bei seiner Umdrehung
die Bürste Ig des Kollektors mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise einer
Umdrehung pro Sekunde betreibt. Die drei Elektroden 2, 3, 4 werden dadurch abwechselnd
in Verbindung mit dem Leiter 43 gebracht. Das Registrierorgan zeigt also nacheinander
für jede Umdrehung der Bürste Ig die durch die Elektroden 2, 3, 4 gemessenen Potentialdifferenzen
an, wobei es immer plötzlich von einem registrierten Wert auf den anderen übergeht.
Die Angaben des Millivoltmeters werden beispielsweise auf einem Band photographischen
Papiers registriert, das sich in Funktion der Tiefe der Elektroden verschiebt. Es
werden drei Diagramme 22, 23, 24 (Abb. 8) aufgenommen, die den Potentialdifferenzen
zwischen den drei Elektroden 2, 3, 4 und irgendeinem festen Punkt an der Erdoberfläche
entsprechen.
-
Diese drei Diagramme 22, 23, 24 entsprechen den Diagrammen C, C',
C" in Abb. 3.
-
Da die Kollektorsegmente I6, I7, I8, wie aus Abb. 7 ersichtlich, verschieden
lang gewählt sind, werden die drei Diagramme22, 23, 24 nicht mit derselben Stärke
aufgezeichnet. Das Diagramm22, das dem schmalsten Segment I6 entspricht, ist in
hellen Linien aufgezeichnet. Das Diagramm 23, das dem Segment I7 und infolgedessen
der Elektrode 3 entspricht, ist in wenig dunkleren Linien aufgezeichnet.
-
Schließlich ist das : Diagramm 24, das dem Segment I8 und infolgedessen
der Elektrode 4 entspricht, durch noch dunklere Linienführung gekennzeichnet. Man
kann daher leicht die jeder Elektrode entsprechenden Diagramme feststellen. Indem
sich auf der anderen Seite die Lage jeder der. Elektroden, wie vorher, aus der Photographie
der Bus sole feststellen läßt, vollzieht sich die Bestimmung der Lage und der Größe
der Neigung der Schichten infolgedessen genau so wie im vorher geschilderten Fall.
-
Abb. g zeigt eine Ausführungsform, bei der die Messungen der Potentialdifferenzen
mittels einer um die Achse des Bohrlochs beweglichen Elektrode durchgeführt werden.
-
Der Körper selbst gleicht demjenigen nach Abb. 2 und besitzt neben
den Führungsorganen 6 und 7 auch den photographischen Apparat 8, der die Messung
der Neigung und Lage der Achse des Bohrlochs gestattet.
-
Unterhalb des unterew Führungsorgans 7 ist der Apparat angeordnet,
der die Verschiebungen der Elektrode steuert. Der Apparat ist in einem mit Ö1 angefüllten
dichten Gehäuse 25 enthalten. Dieses Gehäuse enthält (Abb. io) einen Motor 26 mit
Geschwindigkeitsreduktor, der beispielsweise von einer Batterie über elektrische
Leiter 27 und 28 gespeist wird. Der Motor 26 versetzt einen Isolierarm 29 in Drehung,
dem er eine konstante Geschwindigkeit, beispielsweise von einer Umdrehung in der
Minute, gibt. Dieser Isolierarm trägt an seinem Ende die Elektrode 30, die mit einer
Bürste 3I verbunden ist. Diese Bürste liegt an einem Kollektor 32 von kreisförmiger
Gestalt an, der eine schmale Lücke 33 aufweist. Dieser Kollektor ist durch eine
Leitung 34 mit einem Meßapparat, Millivoltmeter, Potentiometer o. dgl., verbunden,
der an der Erdoberfläche angeordnet und mit seiner anderen Klemme geerdet ist.
-
Mit der Vorrichtung nach Abb. g wird wie folgt gearbeitet: Wenn eine
poröse Schicht in einer bestimmten Tiefe nach bekannten Verfahren festgestellt ist,
läßt man den Körper in das Bohrloch bis in die festgestellte Tiefe hinab.
-
Diese Tiefe liegt beispielsweise in Abb. II zwischen den PunktenA
und A', den Scheiteln der Ellipse, die den Einschnitt der Trennungsebene zwischen
den porösen Schichten in das Bohrloch bildet. Die Elektrode 30 bewegt sich dann
auf einem Kreis 35, der teils oberhalb und teils unterhalb der Trennebene verläuft,
sich also abwechselnd vor einer porösen und einer nicht porösen Wandstelle befindet.
Die gemessenen Potentialdifferenzen
werden sich infolgedessen zwischen
einem Maximum und einem Minimum verändern.
-
Diese Potentialdifferenzen werden an der Erdoberfläche mittels eines
Millivoltmeters aufgezeichnet, bei dem sich das Aufzeichnungspapier mit konstanter
Geschwindigkeit verschiebt.
-
Die Abb. 12 zeigt ein Beispiel eines durch Anwendung dieses Verfahrens
erhaltenen Meßbildes. Die Diagrammlinie verläuft im allgemeinen sinusförmig, wobei
jede Periode dieser Sinuskurve einer vollständigen Umdrehung der Elektrode 30 entspricht.
Man kann leicht auf diesem Diagramm die Maxima und Minima bestimmen, die dem Vorbeigehen
der Elektroden an der Linie der größten Neigung der Bodenschicht entsprechen.
-
Die im Kollektor 32 vorhandene Lücke 33 kann auf der Zeigerplatte
der in dem photographischen Apparat enthaltenen Bus sole verzeichnet sein, so daß
ihre Lage bekannt ist.
-
Wenn sich die Bürste 31 vor dieser Lücke befindet, wird der Strom,
der von der Elektrode 30 zu dem Potentiometer geht, unterbrochen. Man erhält dann
auf dem Meßbild plötzliche Einschnitte, die bei 36 und 37 in Abb. 12 angegeben sind.
Mit Hilfe dieser Einschnitte ist es möglich, die Lage der jedem der Diagrammpunkte
entsprechenden Elektroden festzustellen, und insbesondere diejenige, die den Minima
und Maxima, die die Neigungsrichtung ergeben, entspricht.
-
Wenn man mit c den angenommenen Abstand auf dem Meßbild der Abb.
12 zwischen den Einschnitten 36 und 37 bezeichnet und mit d den angenommenen Abstand
zwischen dem Einschnitt 36 einerseits und dem Minimum 38 der Sinuskurve anderseits,
so wird die Größe 2 2 d ein Maß für den Winkel ergeben, um den sich die Elektrode
30 gedreht hat, um aus der Lage, in der die Bürste 3I über die Lücke 33 hinweggeht,
in die der Richtung der Linie des größten Einfallens der Trennebene, d. h. der Richtung
des gesuchten Einfallens entsprechende Lage, zu gelangen. Da weiter der photographische
Apparat 8 der Abb. 2 die Lage der Elektrode 30 in dem Bohrloch gegenüber den geographischen
Richtungen, z. B. Norden, zu bestimmen gestattet, wenn sich die Bürste 3I an der
Lücke 33 befindet, genügt es, diesen Winkel -dem Winkel hinzuzurechnen, dessen Wert
oben angegeben ist, um die Richtung des gesuchten Einfallens zu erhalten.
-
Es bleibt schließlich noch der Richtungssinn des Einfallens, d. h.
die Seite festzulegen, nach der hin die Linie der größten Neigung gerichtet ist.
Hierfür hält man den Motor 26 des Apparates an, um die Elektrode 30 stillzusetzen,
die dabei in elektrischer Verbindung mit dem Meßapparat bleibt, und verschiebt den
ganzen Körper senkrecht im Bohrloch, nachdem er aus seiner Anfangslage entfernt
worden ist, so daß die Elektrode von unten nach oben beispielsweise durch die Trennebene
der porösen Schicht und der vorher festgestellten nicht porösen Schicht hindurchgeht.
Gleichzeitig fährt man fort, die spontanen Potentialdifferenzen auf demselben Meßbild
aufzuzeichnen.
-
Beim Hindurchgehen durch die Trennebene zwischen den porösen und
den nicht porösen Schichten wird die Elektrode 30 eine Änderung der Potentialdifferenz
anzeigen. Es sei angenommen, daß diese Potentialdifferenz auf demselben Band wie
das vorerwähnte Diagramm registriert wird und daß sie den bei 39 für den sich von
unten nach oben verschiebenden Apparat gekennzeichneten Verlauf hat. Der Teil 40
des aufgezeichneten Diagramms liegt, wenn man sich unterhalb der Trennebene der
Schichten befindet, nach der Annahme auf der Seite der Minima 38, und der aufgezeichnete
Teil 41, wenn man sich über der Trennebene befindet, nach der Annahme auf der Seite
der Mixima 42. Man kann daraus folgern, daß in dem Bohrloch der Punkt, der dem Maximum
42 entspricht, näher der oberen Schicht liegt als der dem Minimum 38 entsprechende
Punkt. Daraus ergibt sich, daß, wenn die Elektrode 30 die dem Maximum 42 entsprechende
Lage einnimmt, sie nach der Richtung gerichtet ist, nach der sich die Schichten
absenken, also in die Richtung des Einfallens. Die Lage und der Richtungssinn des
Einfallens sind also vollkommen festgelegt.
-
Selbstverständlich kann man an den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen
zahlreiche Änderungen vornehmen, ohne daß man den Grundgedanken der vorliegenden
Erfindung verläßt.