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Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Bodenschichten
Die vorliegende Erfindung betrifft"Neutronen-Neutronenuntersuchungen"der von einem Bohrloch durchteuften Bodenschichten, bei denen eine Neutronenquelle zusammen mit einem geeigneten Neutro- nen-Detektor, der in einem bestimmten Abstand von der Quelle gehalten wird, in ein Bohrloch hinabgelassen wird. Die von der Quelle ausgesendeten Neutronen dringen in die umgebenden Bodenschichten ein und werden dadurch in einer Weise beeinflusst, die von der anfänglichen Energie der Neutronen und der Art der Bodenschichten abhängt. Die Feststellung der Neutronen ergibt dabei einige Aufschlüsse über die Bodenschichten.
Die Anfangsenergie der Neutronen, der Abstand der Quelle von dem Detektor und die Energieempfindlichkeit des letzteren bestimmen in grossem Umfang die Art der erhaltenen Aufschlüsse.
Es hat sich gezeigt, dass sehr nützliche Aufschlüsse aus den Streu-und Verzögerungswirkungen der Schichten auf Neutronen mit einer gegebenen anfänglichen hohen Energie erzielt werden können. So wurden bereits in'der USA-Patentschrift Nr. 2, 469, 462 die Zusammenhänge zwischen Neutronendichte und Abstand von der Neutronenquelle klargelegt. Weitere Versuche zeigen, dass diese Verlangsamungsoder Bremswirkung am leichtesten beobachtet wird, wenn der Längsabstand, d. h. Abstand in Bohrlochlängsrichtung zwischen der Quelle und dem Detektor etwa Null ist.
Da Neutronen keine elektrische Ladung tragen, geht der grösste Teil ihrer Energie beim Eindringen in die Erdschichten bei unmittelbarer elastischer Kollision mit den Kernen der Atome, aus denen sich die Schichten zusammensetzen, verloren. Wenn der Detektor daher nur Neutronen mit geringer Energie gegenüber empfindlich ist, kann die Verlangsamungs- oder Bremswirkung der Schichten auf die Neutronen mit anfänglich hoher Energie angezeigt werden. Die Zahl der Neutronen mit geringer Energie, die in einem bestimmten Bereich vorhanden sind, hängt unter andern Faktoren von der Dichte, dem Strerungs- querschnitt der Bodenschichtkerne und den relativen Massen von Neutronen und Kernen ab, mit denen sie zusammentreffen.
Durchlässige, poröse Schichten, die mit wasserstoffhaltigen Flüssigkeiten gesättigt sind, verlangsamen beispielsweise Neutronen von einer bestimmten hohen Anfangsenergie weit stärker als undurchlässige Formationen, wie fester Kalkstein oder andere trockene Gesteine. Diese grössere Verzögerungswirkung wird durch das Vorhandensein von Wasserstoffkernen in den wasserstoffhaltigen-Flüssig- keiten hervorgerufen. Bei gleicher Anzahl von Wasserstoffkernen und andern schwereren Kernen ist beispielsweise die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstössen zwischen den Neutronen und den schwereren Kernen geringer als von Zusammenstössen zwischen Neutronen und Wasserstoffkernen.
Da die Masse der Wasserstoffkerne viel geringer ist als diejenige anderer Kerne, tritt ein proportional grösserer Geschwindigkeitsverlust der Neutronen beim elastischen Auftreffen auf die Wasserstoffkeine ein, als beim Auftreffen auf schwerere Kerne.
Es scheint, dass ein sehr guter Aufschluss über die Durchlässigkeit von Bodenschichten erzielt werden würde, wenn die Neutronen mit geringer Energie, d. h. langsame thermische und bzw. oder-weniger langsame epithermische Neutronen, die in einer Bodenschicht vorhanden sind, gezählt würden, während die Schicht mit Neutronen von verhältnismässig hoher Energie bestrahlt wird.
Eine praktische Anwendung dieser Prinzipien ist jedoch schwierig, da Bohrschlamm Wasserstoffverbindungen enthält, die die hohe Energie der meisten Neutronen absorbieren würden, die anfänglich von einer Quelle, die in dem Bohrloch angeordnet ist, ausgesandt werden. Die meisten der Neutronen mit geringer Energie, die in dem Bohrloch vorhanden sind, würden entweder den Zustand epithermaler Energie oder den thermalen Ausgleichszustand als Folge von Zusammenstössen mit den Wasserstoffkernen indem Schlamm erreichen und nicht mit den Wasserstoffkernen in den Bodenschichten. Ein Detektor für Neutronen
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tische Darstellung eines Teiles einer Bohrlochwand im Längsschnitt und zeigt die Fläche zwischen durchlässigen und nicht durchlässigen Schichten.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung des Neutronenzählbetrages als Funktion des Abstandes längs des Bohrloches an der in Fig. 6 gezeigten Fläche bei andern Formen von Neutronensonden. Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung einer abgeänderten Schirmanordnung für die Neutronensonde und Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Messen der Neigung von Erdschichten mit Hilfe von mehreren Neutronensonden.
In Fig. 1 ist ein Bohrloch 10 gezeigt, das Bohrlochspülung 11 enthält. Die Vorrichtung für eine Neu- tronen-Neutronenuntersuchung der von dem Bohrloch 10 durchteuften Bodenschichten 12 weist ein längliches zylindrisches Gehäuse 13 auf, das mit einander gegenüberliegenden gebogenen oberen Gleitfedern 14 und 15 und entsprechenden unteren Gleitfedem 16 und 17 versehen ist. Die Federn 14 und 16 halten eine Neutronen-Untersuchungssonde 18 nachgiebig gegen die Wand des Bohrloches 10. Die Federn 15 und 17 drücken ein Kissen 19 gegen die gegenüberliegende Wand des Bohrloches, um die Kraft der Federn 14 und 16 auszugleichen, und so das Gehäuse 13 etwa in der Mitte des Bohrloches zu halten. Das Kissen 19 kann Elektroden enthalten, um gleichzeitig mit der Neutronenuntersuchung elektrische Untersuchungen vorzunehmen.
Es können auch andere bekannte Mittel verwendet werden, um die Neutronen-Untersuchungssonde 18 gegen die Wand des Bohrloches 10 zu drücken und za halten. An dem Gehäuse 13 ist ein Kabel 21 angebracht, mit dem die Vorrichtung in dem Bohrloch in bekannter Weise gehoben und hinabgelassen wird, und das elektrische Leiter aufweist, die eine Verbindung mit der Steuer- oder Anzeigevorrichtung an der Erdoberfläche herstellen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält die Sonde 18 einen beliebigen Detektor 22 für Neutronen mit geringer Energie, vorzugsweise einen Detektor für langsame (thermische) Neutronen.
Die zylindrische Fläche des Neutronendetektors 22 wird in einem Umfangswinkel von $ Grad von einem Schirm 23 aus einem Werkstoff umgeben, der für langsame (thermische) und weniger langsame (epithermische) Neutronen im wesentlichen undurchlässig ist. Der Werkstoff für den Schirm besteht vorzugsweise aus Kadmium oder Borkarbid. Gegenüber der zugekehrten Wand des Bohrloches 10 ist eine unabgeschirmte Öffnung 24 gelassen. Eine Quelle 25 für Neutronen von hoher Energie, die beispielsweise durch ein Radium-Beryllium-Kügelchen gebildet wird, liegt vor der Öffnung 24. Den übrigen Raum zwischen der Öffnung 24 und der anliegenden Wand des Bohrloches 10 nimmt ein Schlammentferner 26 ein.
Die Neutronenquelle 25 kann in einem Hohlraum 27 in dem Schlammentferner 26 gelagert sein, der aus einem Werkstoff besteht, der ziemlich durchlässig für langsame (thermische) und etwas weniger langsame (epithermische) Neutronen ist, z. B. festem Aluminium. Der Schlammentferner 26 dient dazu, alle Bohr- lochspülungen zwischen der Öffnung 24m dem Schirm des Detektors 22 und der Erdschicht 12 zu entfernen.
Um zu verhüten, dass Neutronen von geringer Energie in der umgebenden Bohrschlammsäule 11 den Detektor 22 stören, sind die Seiten des Schlammentferners 26 durch etwa radial verlaufende Flansche 28 und 29 des Schirmes 23 (Fig. 2) begrenzt. Die Ober- und Unterseite des Detektors 22 sind ebenfalls durch Scheiben 31 und 32 (Fig. l) aus ähnlichem Werkstoff abgeschirmt, die Verlängerungen haben, die in gleicher Richtung mit den Flanschen 28 und 29 liegen.
Um die Vorrichtung verhältnismässig unempfindlich gegen Veränderungen des Durchmessers des Bohrloches zu machen, sind Schirme oder Sperren für Neutronen mit geringer Energie in Form von nachgiebigen Kissen oder Sperrklappen 33 und 34 vorgesehen, die einen gegenüber langsamen (thermischen) und bzw. oder etwas weniger langsamen (epithermischen) Neutronen ziemlich undurchlässigen Werkstoff enthalten und von den Flanschen 28 und 29 ausgehen. Die Klappen 33 und 34 können an der Wand des Bohrloches 10 liegen und sich dessen'Form, unabhängig vom Durchmesser des Bohrloches, anpassen. Zu diesem Zweck können die Klappen 33 und 34 nachgiebig sein und mit einer nachgiebigen Verkleidung versehen sein. Bei der praktischen Ausführung der Klappen verwendet man am besten dünne Federstahlplatten, die auf der Rückseite mit Kadmium verkleidet sind.
Wenn Borkarbid als Absorptionsmittel für Neutronen mit geringer Energie verwendet wird, kann ein nachgiebiger plastischer Werkstoff, z. B. Tetrafluoräthylen-polymer, der unter dem Namen "Teflon" im Handel ist, zu einer gekrümmten nachgiebigen Platte geformt sein, in der das Borkarbid gelagert sein kann. Die Sperrklappen 33 und 34 können bis etwas über und unter die Öffnung 24 in dem Schirm des Detektors 22 sich erstrecken.
Wenn ein mit Bortrifluorid gefüllter Detektor verwendet wird, muss der Detektor 22, um Gammastrahleneinwirkungen zu vermeiden, im Bereich der Ionisationskammer oder in dem proportionalen Bereich, aber nicht in dem Geiger-Zählerbereich arbeiten. Die Impulshöhe in den erstgenannten Bereichen, als Folge der die Kerne des Gases in dem Detektor beschiessenden Neutronen mit geringer Energie, die durch Desintegration eine Ionisation verursachen, ist ein Vielfaches der Impulshöhe infolge der Gammastrahlung, während in dem Geigerbereich alle Impulshöhen ungefähr gleich sind und eine unmittelbare
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Gammastrahlung von der Quelle 25 die Impulse infolge der Neutronen, wenn keine Abschirmung vorhanden wäre, verdecken würde.
Wenn daher in den Ionisations-oder proportionalen Bereichen gearbeitet wird, können die kleineren Impulse infolge von Gammastrahlung verschluckt werden, so dass nur Impulse auf Grund der Neutronen übrigbleiben.
Sollte eine Zählvorrichtung verwendet werden, die in dem Geigerbereich arbeitet und langsame (thermische) Neutronen durch Zählung der Gammastrahlung ermittelt, die durch Werkstoffe hervorgerufen wird, die unter der Wirkung dieser Neutronen zerfallen, würde es notwendig sein, die Zählvorrichtung vor allen Gammastrahlungen von irgend einer andern Quelle abzuschirmen, als vor denen, die durch die Neutronen verursacht werden. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass die unerwünschten Quellen von Gammastrahlung ausgesetzter Teile des Detektors mit Blei ausgekleidet werden. Diese Schirmanordnung ist jedoch massig und kompliziert.
Soweit der Detektor 22 vorzugsweise nur gegenüber epithermischen und bzw. oder thermischen Neutronen und nicht gegenüber Gammastrahlung empfindlich ist, ist eine Abschirmung zwischen der Quelle 25 und dem Detektor 22 nicht notwendig.
Bei der Arbeit wird die Untersuchungsvorrichtung mittels des Kabels 21 durch den Bohrschacht gehoben, während die Sonde 18 an der Wand des Bohrloches 10 liegt. Neutronen mit hoher Energie von der Quelle 25 dringen in die Schicht 12 ein. Diese Neutronen werden durch elastisches Auftreffen zerstreut und schliesslich an verschiedenen Stellen in der Schicht, zahlenmässig vornehmlich von den Flüssigkeitsgehalten und so der Durchlässigkeit der umgebenden Schicht abhängig, auf thermische oder epithermische
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gen Schlammentferner 26 zurückgeleitet und durch den Detektor 22 ermittelt. Andere Neutronen mit geringer Energie dringen án verschiedenen Teilen der Seitenwand in das Bohrloch 10 ein und können weiter durch die Bohrflüssigkeit 11 verlangsamt werden. Weitere Neutronen können zwischen den Schichten und der Flüssigkeit 11 hin-und herpendeln.
In jedem Fall hängt das Ergebnis der Zählung der Neutronen mit geringer Energie von der Zahl der Neutronen mit geringer Energie ab, die in der Schicht vor der Sonde 18 vorhanden sind, die ihrerseits hauptsächlich von der Durchlässigkeit der Schicht abhängt. Wenn daher das Ergebnis der Zählung als Funktion der Lage der Sonde 18 bei ihrer Bewegung längs des Bohrloches festgestellt wird, kann eine Anzeige der Durchlässigkeit der Schichten in verschiedenen Tiefen erhalten werden.
Die Zahl der nur durch die Bohrflüssigkeit 11 verlangsamten Neutronen mit geringer Energie, die durch den Detektor 22 ermittelt wird, verglichen mit der Zahl der durch den Detektor 22 ermittelten, durch die Schichten verlangsamten Neutronen von geringer Energie ergibt bei richtiger Erwägung unter Berücksichtigung der Zählstatistiken und der Auflösungswirkung für Schichten verschiedener Durchlässigkeit, eine gute Anzeige der Wirksamkeit der Untersuchungsvorrichtung und ihrer Fähigkeit, eine nützliche Untersuchung durchzuführen. So können beispielsweise die durch den Detektor 22 gezählten Neutronen in zwei Gruppen geteilt werden. Die erste Gruppe enthält Neutronen, die die Schlammsäule vor ihrer Ermittlung nie verlassen haben.
Die zweite Gruppe besteht aus all den Neutronen, die sich vor ihrer Ermittlung einige Zeit in der Erdschicht befunden haben. Die erste Gruppe kann als "nicht Information bringende Zählung" (NIBC) bezeichnet werden, da sie keine Aufschlüsse über die Art der Erdschicht liefert, die letztere dagegen kann als "Information bringend" (IBC) bezeichnet werden, da mindestens ein Teil der Verlangsamung in der Erdschicht entstanden ist. Die IBC ihrerseits kann in zwei Gruppen geteilt werden. Eine dieser Gruppen enthält Neutronen, die sich während ihrer ganzen Lebensdauer vor ihrer Ermittlung in der Bodenschicht aufhielten. So liefert z. B. fester Kalkstein oder trockenes Gestein in der Schicht unmittelbar vor der Sonde weniger langsame Neutronen als wasserstoffhaltige Schichten.
Die zweite IBC-Gruppe besteht aus ermittelten Neutronen, die ein oder mehrere Male zwischen der Schlammsäule und der Bodenschichthin-und hergependelt sind. Diese Neutronen werden, obwohl sie Informationen bringen, und in die obige Definition der IBC mit eingeschlossen sind, bei ihrer Verlangsamung sowohl durch die Schlammsäule als auch durch die Bodenschichten beeinflusst.
Die stärkste nachteilige Wirkung, die vermindert werden soll, ist die der NIBC, und für einige Zwecke kann das Verhältnis von NIBC/IBC als Kriterium für die Wirksamkeit der Vorrichtung dienen. Wie später in Zusammenhang mit Fig. 4 gezeigt, ergibt sich durch Verringerung dieses Verhältnisses der beste Winkel für den Schirm 23. Die Ausschaltung oder Abschwächung jener IBC, die Neutronen darstellen, die zwischen der Schlammsäule und der Bodenschicht hin-und hergependelt sind, erfolgt dann durch die Schirmflansche 28 und 29 und die Sperrklappen 33 und 34. Die Flansche 28 und 29 dienen auch als Verlängerung des Schirmes 23 bei der Verkleinerung des Verhältnisses von NIBC/IBC.
Der restliche Teil der IBC besteht dann vornehmlich aus den Neutronen, die ihre Verlangsamung durch die Bodenschicht erhalten haben, und
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es ist dies die Anzahl der Neutronen dieser Gattung, die am stärksten durch die Durchlässigkeit der Bodenschicht beeinflusst ist.
Die Weise, in der die in Fig. 2 beschriebenen Schirme und Sperrklappen die Verkleinerung des Verhältnisses von NIBC/IBC bewirken, wird aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit Fig. 3-7 deutlich.
In Fig. 3 sind Kurven gezeigt. die den Zählbetrag der langsamen (thermischen) Neutronen als Funktion verschiedener Abstände in den dargestellten Erdschichten zeigen. Bei dieser graphischen Darstellung liegt eine Neutronenquelle am Nullpunkt, in einem homogenen Medium, das Wasser oder trockener Sand ist. Die Abszissenskala stellt dann verschiedene radiale Abstände zwischen der Quelle und verschiedenen Punkten in der Bodenschicht dar. Die Ordinate zeigt die Zählbeträge, die durch einen Detektor angezeigt werden würden, der an diesen Punkten aufgestellt ist. Die Wassercharakteristik W, die als volle Kurve dargestellt ist, hat etwa die Form, die erwartet werden muss, wenn die Bodenschichten 100o/q durchlässig und mit Flüssigkeit gefüllt wären.
Es lässt sich sofort erkennen, dass infolge von Wasser oder einem durchlässigen Medium dicht an der Quelle ein sehr hoher Zählbetrag von langsamen Neutronen vorhanden ist, während weiter nach aussen in das Medium hinein diese Beträge abfallen. Bei trockenem Sand, dessen Charakteristik S durch eine gestrichelte Kurve gezeigt ist, und die für nicht durchlässige Bodenschichten kennzeichnend ist, ist der gezählte Betrag von langsamen Neutronen in der unmittelbaren Nähe der Quelle beträchtlich kleiner als bei der Wasserkurve, aber er fällt weniger schnell ab.
Aus den Kurven von Fig. 3 lässt sich erkennen, dass unter idealen Bedingungen, d. h. ohne Störung durch den Bohrschlamm, durchlässige und nicht durchlässige Schichten leicht durch Vergleich der Zählun-
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lässigkeit stehen können. Zweck der Schirmanordnung nach der Erfindung ist, ein Untersuchungssystem zu schaffen, das sich diesem Idealfall weitmöglichst nähert.
Wie oben festgestellt, würden ohne erfindungsgemässe Verfahren bzw. Vorrichtungen bei Auftreten von Bohrflüssigkeit die Neutronen mit geringer Energie, die durch wasserstoffhaltige Schichten verlangsamt werden, meist vollständig überdeckt werden. Wenn die Untersuchungssonde 18 ohne den Schirm 23 (Fig. 2) gegen die Bodenschichten gedrückt wird, ist das Verhältnis von NIBC, d. h. der nur durch die Bohrflüssigkeit verlangsamten Neutronen, zu IBC, d. h. der im wesentlichen durch die Bodenschichten verlangsamten Neutronen, meist gleich eins.
Fig. 4 zeigt graphisch die Verbesserung des gezählten Betrages, die durch alleinige Verwendung des besonderen Schirmes 23 von Fig. 2 erzielt wird. Die volle Kurve gilt für einen Kadmiumschirm und die strichpunktierte Kurve für einen Borkarbidschirm (B C). Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Winkel, der den Umfang des Schirmes 23 darstellt, in Graden längs der Abszissenachse eingezeichnet, während das Verhältnis von nicht Informationen bringenden Zählungen gegenüber Informationen bringenden Zählungen (NIBC/IBC), wenn die Sonde dicht bei einer 1000/0 durchlässigen Schicht liegt, längs der Ordinatenachse aufgezeichnet ist.
Dieses Verhältnis fällt auf ein Minimum von ungefähr 0,24 für einen Kadmiumschirm und ungefähr 0, 19 für einen Borkarbidschirm, wenn cI ? auf ungefähr 2500 steigt, und beginnt dann zu steigen, wenn cl weiter zunimmt. Einer der Gründe für diese Tatsache ist, dass, wenn cI über 250 an-
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werden einige IBC-Neutronen von den Seiten der'Bodenschichten unmittelbar neben den Flanschen 28 und 29 her aufgenommen, und diese können den Zähler nicht erreichen, wenn $ über 2500 steigt.
Die radialen Verlängerungen der Flansche 28 und 29 dienen zum Ausschluss von Neutronen, die durch die Bohrflüssigkeit 11 verlangsamt sind, während sie den Eintritt von Neutronen gestatten, die durch die Bodenschichten verlangsamt wurden und an den Kanten der Öffnung 24 eindrangen.
Eine stärkere Verkleinerung des Verhältnisses NIBC/IBC wird durch Verwendung eines Borkarbidsclurmes (strichpunktierte Kurve) an Stelle des Kadmiumschirmes erzielt. Diese Tatsache zeigt, dass ein beträchtlicher Teil der NIBC epithermale Neutronen sind, d. h. Neutronen mit einer Energie, die etwas über der Thermalhöhe liegt, da Borkarbid für die Sperrung epithermaler Neutronen wirksamer ist als Kadmium.
Der Schlammentferner 26, der zwischen der Öffnung 24, den Flanschen 28 und 29 und der Wand des Bohrloches 10 liegt, schliesst den Schlamm oder die Bohrflüssigkeit wirksam aus, der bzw. die sonst um die Flanschenkanten herum eindringen könnte, wo sie die Bohrlochwand berühren. Das Vorhandensein des Schlammentfemers, der für Neutronen von geringer Energie ganz durchlässig ist, verringert das Mindestverhältnis von NIBC/IBC von ungefähr 0,19 (Fig. 4) weiter auf ungefähr 0,04, so dass die NIBC praktisch vernachlässigt werden können, und bildet eine ausgezeichnete Annäherung an die in Fig. 3 erläuterten Idealbedingungen.
Die Verwendung des Schirmes 23, der Schirmflansche 28 und 29 und des Schlammentferners 26 zur
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Verkleinerung des Verhältnisses von NIBC/IBC bewirkt auch eineverminderung des gesamten Zählbetrages, da ein Teil der IBC gleichzeitig mit den NIBC ausgeschlossen werden. Die Nettominderung des Verhältnisses NIBC/IBC (Fig. 4) beweist die Tatsache, dass proportional mehr NIBC als IBC von der Gesamtzählung ausgeschaltet werden. Eine genauere Analyse der Lage, die die statistischen Schwankungen in dem Zählbetrag berücksichtigt, ergibt sich bei einer Wahl einer Wertangabe, die einen etwas geringeren Bestwert von ungefähr 2000 von dem Winkel $ anzeigt.
Um einen diedrischen Winkel e = (360ors) von (360 -200 ) oder 11300 für die Öffnung zu erhalten, ohne dass der Informationen bringende Zählbetrag durch Störung durch die Bohrflüssigkeit überdeckt wird, sind der Schlammentferner 26 und die Schirmflansche 28 und 29 sehr wünschenswert. Eine Berücksichtigung der Veränderungen im Bohrlochdurchmesser zeigt jedoch, dass 6 = 1600 dicht an einem Ende des wünschenswerten Bereiches liegt. Demgemäss liegt der bevorzugte Bereich für einen diedrischen Winkel e zwischen 600 und 1600.
Obwohl die NIBC in der oben beschriebenen Weise praktisch ausgeschaltet werden, ist es ferner wesentlich, die Veränderungen der IBC zu vermindern, die von dem Volumen der Flüssigkeit in dem Bohrloch in der Nähe der Sonde und dadurch tatsächlich von dem Durchmesser des Bohrloches abhängen. Es hat sich herausgestellt, dass diese Veränderungen hauptsächlich in der Komponente der IBC auftreten, die durch Neutronen verursacht wird, die zwischen der Bodenschicht und der Schlammsäule hin- und herpendeín. und schliesslich aus der Bodenschicht durch die Öffnung 24 in den Detektor 22 eingetreten sind.
Die volle Kurve 50 in Fig. 5 zeigt beispielsweise das prozentuale Ansteigen des Zählbetrages als Funktion des Durchmessers eines Bohrloches, das eine Erdschicht aus trockenem Sand durchquert, wenn die Sonde von Fig. 2 ohne die Sperrklappen 33 und 34 verwendet wird. Da es wünschenswert ist, dass der Zählbetrag nur. eine Funktion der Bodenschichtcharakteristiken ist, wurden die Sperrklappen 33 und 34 angebracht. Die sich ergebende Verbesserung mit den Klappen ist durch die gestrichelte Kurve 51 dargestellt. Die Verminderung in der Veränderung des Zählbetrages bei steigendem Bohrlochdurchmesser bei Verwendung von Klappen ist in der gestrichelten Kurve 51 in Fig. 5 ausdrücklich im Vergleich zu der vollen Kurve 50 dargestellt.
Der Neutronen absorbierende Werkstoff in den Sperrklappen 33 und 34 (Fig. 2) dient zur Verhütung der Wanderung von Neutronen quer zur Wand des Bohrloches 10. Da die Zahl der Neutronen, die durch die Wand zerstreut würden, von dem Durchmesser des Bohrloches abhängt, verringert die Verkleinerung der Anzahl dieser Neutronen dann die Wirkung des Bohrloehdurchmessers auf die Gesamtzählung.
Fig. 6 und 7 zeigen eine andere Art der Verbesserung durch Verwendung der beschriebenen Schirmanordnungen. Fig. 6 zeigt schaubildlich einen Teil einer Bohrlochwand mit einer Zwischenfläche zwischen undurchlässigen und durchlässigen Bodenschichten. Die Neutronen-Untersuchungssonde 18 ohne geeignete Abschirmung ergibt eine Untersuchung, wie sie durch die volle Kurve 70 in Fig. 7 gezeigt ist.
Die Kurve 70 setzt ich aus einer etwa konstanten, durch eine gerade Linie 71 dargestellten Komponente, die die keine Informationen bringenden Zählungen darstellt, die den Änderungen der Durchlässigkeit der Bodenschicht nicht entsprechen, und einer veränderlichen Komponente zusammen, die die Informationen bringenden Zählungen darstellt, die der Kurve 70 ihre Eigenart verleihen. Das Verhältnis von NIBC zu IBC wird durch das Verhältnis des Abstandes zwischen der Ordinatenachse und der Linie 71 zu dem Abstand zwischen der Linie 71 und der Kurve 70 bestimmt. Gegenüber durchlässigen Bodenschichten ist das Verhältnis etwas geringer als 1, während es gegenüber undurchlässigen Schichten erheblich grösser als 1 ist.
Bei Hinzufügung der Schirme 23, 28 und 29 und des Schlammentferners 26 wird die Zahl von NIBC erheblich vermindert mit der Wirkung, dass sich die Kurve 70 in die gestrichelte Kurve 70'umformt. Die NIBC werden jetzt durch eine gestrichelte gerade Linie 71'angezeigt. Auf diese Weise wird das Verhältnis von NIBC zu IBC für durchlässige Schichten auf ungefähr 0, 04 verringert, wenn die Abschirmung und der Schlammentferner verwendet werden.
Die Verminderung von NIBC verbessert nicht nur das Verhältnis NIBC/IBC, sondern ermöglicht weit grössere Genauigkeit bei der Unterscheidung zwischen undurchlässigen und durchlässigen Bodenschichten.
Die grössere Genauigkeit ist eine Folge der Tatsache, dass innerhalb mässiger Grenzen eine statistisch genauereAnzeige einer jeden Bodenschicht, durchlässig oder nicht, erzielt werden kann, wenn die Gesamtzahl der Zählungen ein Minimum von nicht Informationen bringenden Zählungen enthält. Die IBC beispielsweise, die durch die gestrichelte Kurve 70'in Fig. 7 dargestellt ist, bietet, wie durch die Linie 71' gezeigt, gegenüber einer beliebigen Erdschicht wesentlich geringeren Spielraum für einen statistischen Irrtum in den Zählungen, wenn die NIBC zu vernachlässigen sind, als in dem Fall, wo die IBC einem grossen Wert von NIBC überlagert sind, wie in dem durch die Kurve 70 und die Linie 71 gezeigten Fall.
Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung einer weiteren Schirmanordnung für die Untersuchungssonde 18. Der Schirm 23'erstreckt sich von oben nach unten und von dem Boden des Detektors 22 nach oben, wodurch die Länge der Öffnung 24 verkleinert wird. Wenn ein Detektor nur für langsame Neutronen ver-
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wendet wird, hat es sich gezeigt, dass, wenn der Abstand d vergrössert oder die Länge des Detektors von ungefähr 265 mm auf 120mm verkürzt wird, die Fähigkeit der Sonde zwischen durchlässigen und undurch lässigen Bodenschichten zu unterscheiden, um ungefähr dreissig Prozent verbessert wird, auch wenn die Gesamtzahl der Zählungen der einzelnen Schichtarten vermindert ist.
Diese Verbesserung setzte sich fort, bis ein gewisser Bestwert von d erreicht war, und eine weitere Steigerung von d zeigte einen Verlust dieser Verbesserung. Die Verkürzung der Öffnung 24 ist daher bestrebt, langsame Neutronen, die infolge undurchlässiger Schichten entstanden sind, stärker auszuschliessen als solche, die infolge durchlässiger Schichten gebildet wurden, wenn, der Abstand d sich vergrössert, jedoch nur bis zu einem bestimmten Wert von d. Bei der Anwendung dieser Vorrichtung hat es sich als besonders gut herausgestellt, die Quelle zur Länge des Detektors symmetrisch anzuordnen.
Zu Fig. 3 sei bemerkt, dass die Abszissenachse den Abstand zwischen einer Quelle am Nullpunkt und einem Prüfdetektor anzeigt. Wenn diese Strecke parallel zum Bohrloch und daher parallel zur Längsachse der Untersuchungssonde 18 genommen wird, kann die Gesamtlänge der Bodenschicht, die von dem Detektor 22 bedeckt wird, mit L bezeichnet werden. Die Länge des Detektors abzüglich 2d oder L - 2d ergibt die Länge der Öffnung 24, die den Bodenschichten ausgesetzt ist.
Da die Gesamtzahl der Zählungen für die Kurven für Wasser oder trockenen Sand, die durchlässigen und undurchlässigen Bodenschichten entsprechen, ungefähr proportional den Flächen unter diesen Kurven sind, erhöht jede Steigerung des Verhältnisses der Fläche unter der Wasserkurve zu der Fläche unter der Kurve für trockenen Sand das Verhältnis der Gesamtzahl der den einzelnen Bedingungen anzurechnenden Zählungen und ermöglicht dadurch eine leichtere Unterscheidung. Wenn der Abstand L- 2d vermindert wird, wird ein proportional grösserer Bruchteil der Fläche unter der Kurve für trockenen Sand ausgeschlossen als unter der Wasserkurve. Daher ist das Verhältnis der Gesamtzählungen für Sand gegenüber den Gesamtzählungen für Wasser, bei einer Länge der Öffnung 24 von L-2d kleiner, als wenn die Länge der Öffnung 24 gleich L wäre.
Die Erfahrung zeigt, dass eine Öffnung 24 in dem Schirm 23'entsprechend einer Länge L-2d von un-
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verbesserte Unterscheidung der Neutronenzählungen, entsprechend den üblichen bei Bohrschachtuntersuchungen vorkommenden Durchlässigkeiten ist. Obwohl zum Untersuchen von wenig durchlässigen Medien Detektoren verwendet werden können, die hauptsächlich für langsame Neutronen im epithermischen Bereich empfindlich sind, sollten vorzugsweise solche Detektoren benutzt werden, die bei den üblich auftretenden Durchlässigkeiten, hauptsächlich für thermische Neutronen, empfindlich sind.
In ähnlicher Weise würde eine Anordnung, die das Verhältnis der Zählbeträge für thermische und epithermische Neutronen anzeigt, eine empfindliche Unterscheidung zwischen hohen und geringen Durchlässigkeiten für die untersuchten Erdschichten bieten.
In Fig. 9 ist ein System zur Bestimmung der Neigung von Erdschichten gezeigt, die von einem Bohrloch durchquert werden, wobei drei Neutronen- Untersuchungssonden 18, 18' und 18" verwendet werden, die in einer waagrechten Ebene ungefähr 1200 gegeneinander versetzt liegen und durch an einem mittleren Gehäuse 94 angebrachte gebogene Federn 91,92 und 93 gegen die Bohrlochwand gedrückt werden. Jede Neigung der Bodenschichten wird, wenn die Vorrichtung nach Fig. 9 durch das Bohrloch gehoben wird, durch die relative Verschiebung entsprechender Änderungen der von den Sonden 18, 18'und 18" registrier- ten Untersuchungsergebnisse angezeigt.
Ein Vorzug der Anwendung der Erfindung für Neigungsmessungenbesteht in der vorzüglichen senkrechten Ausrichtung der Neutronenuntersuchungssonde. Wie oben ausgeführt, rührt diese verbesserte senkrechte Ausrichtung von der Tatsache her, dass in der senkrechten Richtung fast kein Abstand zwischen der Neutronenquelle und dem Detektor besteht. Der Azimutalwinkel der Untersuchung ist entsprechend der Schirmanordnung so, dass von einer Sonde ausgesandte Neutronen die Neutronen nicht stören, die von den andern Sonden ausgesandt werden, die um einen Azimutalwinkel von 1200 von ihr getrennt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Neigung beim Vorhandensein von Bohrflüssigkeiten auf Ölbasis gemessen werden kann.
Als Folge der oben angegebenen Kennzeichen wird die Ermittlung einer Zwischenfläche von Bodenschichten über das bisher durch andere mit Strahlungen arbeitende Verfahren mögliche Mass verbessert.
Zwar bestehen die besten Unterschiedanzeigen zwischen sehr durchlässigen und undurchlässigen Bodenschichten, trotzdem sind die Zählbeträge für etwaige Unterschiede in der Durchlässigkeit zwischen Bodenschichten verschieden, und die wesentliche Ausschaltung von NE3C ermöglicht, auch kleine Unterschiede der Zählbeträge in IBC leicht zu beobachten. Die Verwendung einer"Neutronen-Neutronen-Unter-
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durch Veränderungen bei natürlich auftretenden radioaktiven Werkstoffen bei der Verwen-sentlichen nicht beeinträchtigt. Dieser Vorteil macht sich vornehmlich bei der oben beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren, besonders bei der Verwendung für Neigungsmessungen, bemerkbar.
Obwohl die : Erfindung mit besonderer Hervorhebung der verschiedenen Schirmanordnungen beschrieben worden ist. können verschiedene, Fachleuten bekannte Verfeinerungen in der Gesamtvorrichtung angewendet werden. Die Wandfläche des Kissens, die den oben erläuterten Schlammentfemer enthält, die Flansche und Klappen könnten auch aus nachgiebigem, nicht wasserstoffhaltigem Werkstoff unter Hinzufügung einer Neutronen absorbierenden Verbindung bestehen.
Auch andere Änderungen können an der Vorrichtung vorgenommen werden. Es können beispielsweise hinter dem Detektor 22 geeignete elektronische Kreise der üblichen Art verwendet werden. Auch die Un- tersuchungsgeschwindigkeit oder der Betrag, um den die Vorrichtung an dem Bohrloch entlang angehoben wird, kann einfach durch Steigerung der Menge des die Neutronen abgebenden Quellenmaterials vergrössert werden.
PATENTANSPRUCHES
1. Verfahren zur Untersuchung der von einem wasserstoffhaltige Flüssigkeit enthaltenden Bohrloch durchteuften Bodenschichten durch Neutronen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrlochspülung aus einem Bereich an der Wand des Bohrloches entfernt wird, Neutronen mit hoher Energie von dem Bohrloch durch diesen Bereich in eine Bodenschicht ausgestrahlt werden, Neutronen mit geringer Energie, die im wesentlichen nur durch diesen Bereich hindurch empfangen werden, in dem Bohrloch ermittelt und Signale aus dem Bohrloch heraus übermittelt werden, die den Neutronenfluss anzeigen.