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Einrichtung zur Untersuchung von Erdformationen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Untersuchung von durch einen Bohrschacht durchteuften Erdformationen ; sie betrifft insbesondere eine Einrichtung mit einer Quelle zur Bestrahlung der Formationen mit Gammastrahlung und einem Anzeigegerät zum Anzeigen der durch die Formationen beeinflussten Gammastrahlung.
Neue Forschungen haben ergeben, dass eine die Masse je Raumeinheit der Erdformationen betreffende Anzeige von grossem Nutzen ist. Dort, wo z. B. die Gefügestruktur und der Flüssigkeitssättigungsgrad in den Zwischenräumen einer Formation bekannt sind, kann eine Untersuchung der Masse pro Raumeinheit unmittelbar zu einer Untersuchung der gesamten Porosität umgewandelt werden. Diese letztere Charakteristik ist natürlich beim Abschätzen der Vorratsmenge von Kohlenwasserstoff enthaltenden Erdformationen nützlich.
Überdies ist diese Masse der Einheit, d. h. der Struktur als eil. Faktor der Beeinflussung seismischer Geschwindigkeit von Interesse, da eine bessere Kenntnis von Untergrundstruktur eine verbesserte Auslegung seismischer Vermessungeii erlauben kann.
Ausserdem hilft die Anzeige über die Struktur insofern der Auslegung von Gravitationsvermessungen, als die Tiefen der Formationen, welche gravitationelle Unregelmässigkeiten zeigen, gewöhnlich mit vorhandenen technischen Einrichtungen schwierig zu bestimmen sind.
Zur Untersuchung der Struktur von Formationen wurden bereits Einrichtungen vorgeschlagen, die eine Gammastrahlung und einen Gammastrahlenanzeiger besitzen. Jedoch ist die Genauigkeit dieser Messinstrumente zu gering, um bei den vorstehend aufgezählten Gelegenheiten in grossem Umfang nutzbar verwendet zu werden.
Ein Merkmal der Erfindung besteht deshalb in einer neuen Einrichtung zum Bestimmen dex Formationsstruktur, unter Benutzung von Gammastrahlung, wobei grössere Genauigkeit erreicht wird, als es bisher möglich war.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Erforschen von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen bezieht sich auf einen durch das Bohrloch hindurchbewegten Träger mit einer an die Wandung des Bohrloches anlegbaren Fläche, der mit einer Gammastrahlenquelle und einem Detektorsystem versehen ist, welche innerhalb des Trägers dicht an der anlegbaren Fläche angeordnet sind, und der eine Abschirmung für Gammastrahlen enthält, die sich an die erwähnte Fläche anschliesst und die Quelle und das Detektorsystem teilweise umschliesst, und besteht im wesentlichen darin, dass in der an der Bohrlochwand anlegbaren Fläche eine weitere Abschirmung vorgesehen ist, die im wesentlichen nur Gammastrahlen durchlässt,
welche die an das Bohrloch anlegbare Fläche in Richtung senkrecht zur Bohrlochwandung durchdringen. Die Erfindung betrifft ferner Einzelheiten an einer solchen Einrichtung.
Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. u. zw. Fig. 1 und 2 den oberen und unteren Teil einer gemäss der Erfindung gebauten Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung in wirksamer Stellung in einem Bohrloch, wobei gewisse Einzelheiten der Fig. 1 nur schematisch wiedergegeben sind. Fig. 3 zeigt eine vergrösserte Darstellung des Teiles der Fig. 2, der durch das gestrichelte Rechteck 2 umrahmt ist im Längsschnitt. Fig. 4 ist eine schaubildliche Darstellung eines Teiles der in Fig. 3 veranschaulichten Einrichtung. Fig. 5 und 6 sind Abwandlungen der Einrichtung nach Fig. 3. Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, welche eine typische Eichkurve für die Einrichtung nach Fig. 1 und 3 veranschaulicht.
Wie in Fig. 1 der Zeichnungen gezeigt ist, besteht die die vorliegende Erfindung verkörpernde Bohr- schacht-Untersuchungseinrichtung aus einem Gehäuse 10, das an einem armierten Kabel 11 in einem die
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oder Ölgrundlage, gefüllt.leiter 44 und 45 mit dem Stromkreis der Photozelle 35 verbunden werden, obgleich das Gehäuse 30, zusammen mit seiner Kappe 43, einen druckfesten Behälter bildet.
Um den Bohrschlamm 14 von der Vorderseite des fluoreszierenden Bauteiles 34 abzuhalten, ist der obere Vorderteil des Behälters 22 und der Abschirmung 27 ausgeschnitten, um einen Bauteil 46 aufzuneh- men, der für Gammastrahlen im wesentlichen durchlässig ist. Der Schlaù1Illschirm 46 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen und seine Formgebung ist so gewählt, dass er sich der Gestalt der an der Wandung anliegenden Fläche 21 anpasst. Unterhalb einer durch die strichpunktierte Linie 47 dargestellten und durchdas oberste Ende des Körpers 34 bestimmten Ebene bildet der Schirm 46 eine im wesentlichen gerade Fortsetzung der Fläche 21 und verdrängt den Bohrschlamm zwischen der Fläche 21 und der Seitenwandung des Bohrloches.
Um jedoch die an der Wandung anliegende Fläche 21 so kurz wie möglich zu halten, um einen guten-Wandkontakt zu erleichtern, ist der Schirm 46 oberhalb der Ebene 47 allmählich gekrümmt und weist an seiner Verbindungsstelle mit dem Rohr 15 einen sanften Übergang auf. Die Gestalt des Schirmes 48 kann am besten aus der Betrachtung der schaubildlichen Darstellung in Fig. 4 erkannt werden, die zeigt, dass er eine halbzylindrische Innenfläche 48 aufweist, die der Form des Gehäuses 30 entspricht.
Die in Fig. 3 mit den Buchstaben S-D bezeichnete Entfernung in Längsrichtung zwischen dem geometrischen Mittelpunkt der Quelle 29 und des Körpers 34 hängt von der gewünschten Betriebscharakteristik ab.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind elektrische Leiter 44 für den Photozellen-Stromkreis mit einer Stromversorgungseinrichtung 49 verbunden, welche über isolierte Leiter 50 eines Kabels 11, durch eine über Tage befindliche, mit einem Schalter 52 ausgerüstete Energiequelle 51 gespeist wird.
Der Ausgangsimpuls der Photozelle 35 mit Elektronenvervielfacher wird über Leiter 45 einer Kathodenfolgeschaltung 53 zugeführt, die wegen ihres charakteristischen hohen Eingangsscheinwiderstandes und des mit dem Impulsformer 54 gekoppelten niederohmigen Ausganges verwendet wird. Der Impulsformer 54 kann z. B. aus einer Verzögerungsleitung zum Ableiten von Impulsen proportionaler Höhe, jedoch im Vergleich zu den ihm zugeführten Impulsen herabgesetzter Dauer bestehen. Der Impulsformer 54 ist mit einem Verstärker 55 gekoppelt, der wiederum mit einem Diskriminator 56 gekoppelt ist, der so eingestellt ist, dass die durch den Dunkelstrom der Photozelle 35 verursachten Impulse mit relativ geringen Amplituden, der nächsten, in diesem Falle aus einem elektronischen Impulszähler 57 bestehenden folgenden Stufe nicht zugeleitet werden.
Der Zähler wird verwendet, weil Zählgeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 104 Zählungen pro Sekunde verlangt werden. Der Impulszähler 57 ist mit einem Leistungsverstärker 58 gekoppelt, der über isolierte Leiter 59 des Kabels 11 mit einem über Tage aufgestellten Zählgeschwindigkeits-Registriergerät 60 verbunden ist, In welchem die Bewegung der Registrierungsmittel synchron zur Bewegung des Gerätes 16 im Bohrloch erfolgt. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Feststellung der Zählgeschwindigkeit mit Bezug auf die jeweilige Tiefe erhalten werden.
Die Schaltkreise 49, 53, 54, 55, 56, 57, 58 und 60 können üblicher Bauart sein, so dass ihre genauere Erläuterung nicht erforderlich sein dürfte.
Im Betrieb wird das aus dem Gehäuse 10, dem Gerät 16 und den dazugehörigen Bauteilen bestehende Aggregat in das Bohrloch unter die zu untersuchende Formation heruntergelassen. Der Schalter 52 wird ge- schlossen unddas Aggregatwird mit normaler Untersuchungsgeschwindigkeitgehoben, während die Feder 19 die Fläche 21 des Gerätes 16 in Anlage an der Seitenwandung des Bohrloches hält. Die Gammastrahlung von der Quelle 29 bestrahlt die Formationen und einige dieser Gammastrahlen werden nach Beeinflussung durch das Formationsmaterial vom fluoreszierenden Körper 34 aufgefangen.
Wie bekannt, wirkt der Körper 34 als ein Gammastrahlen-Umwandler, so dass entsprechend der Menge der einfallenden Gammastr ahlung Lichtimpulse abgeleitet werden, die einen Energiegehalt aufweisen, der der in dem Körper verbrauchten, d. h. zerstreuten Gammastrahlen-Energie proportional ist, Die Geschwindigkeit des Auftretens solcher Impulse hängt vorder In-
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der Lichtimpulsenergie ist ; auf diese Weise wird eine Reihe von Impulsen über die Kathodenfolgeschaltung 53 dem Impulsformer 54 zugeführt. Die Impulse werden, nach der Herabsetzung ihrer Dauer im Impulsformer 54 in der Verstärkerstufe 55 verstärkt und über den Diskriminator 56 dem Impulszähler 57 zugeführt.
Die Zählgeschwindigkeit der durch den Zähler dem Verstärker 58 zugeführten Impulse ist natürlich proportional der Folgegeschwindigkeit der durch die Photozelle 35 entwickelten Impulse. Die durch jie Einheit 60 aufgezeichnete Zählgeschwindigkeit als Funküon der Tiefe im Bohlloch stellt. den am Kör- per 34 eingefa. llenen Gammastrahlf1uss dar. Der aufgefangene Gammastrahlfluss ist ein Mass für die Formationsstruktur, deshalb wird mittels der die Erfindung verkörpernden Einrichtung ein Ergebnis der Struktur-Untersuchung erhalten.
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Mit Rücksicht auf Kosten und Gesundheitsgefahr erscheint jedoch die Verwendung einer kleinen Quellenstärke sehr erwünscht. Ausserdem darf die an der Seitenwandung anliegende Fläche des Gerätes 16 (Fig. 3) nicht übermässig lang sein, da ihr Zusammenarbeiten mit der Seitenwandung des Bohrloches dadurch ungünstig beeinflusst werden kann, und zu unerwünschten Störungen in der Untersuchung führt, die durch die Veränderung der Bohrschlammengen vor der Fläche 21 verursacht werden. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen kann für eine annähernd fünfzig Millicurie betragende Kobalt 60-Quelle vorzugsweise ein S-D Abstand von 38, 1 cm verwendet werden.
Der Zwischenraum zwischen der Quelle und dem Anzeigegerät (Detektor) ist bei der in Fig. 3 veranschaulichten Bauart mit Blei ausgefüllt ; in Wirklichkeit ist das gesamte dargestellte Blei nicht für die Abschirmung, sondern vielmehr für die Scblammverdrängung erforderlich. Eine Herabsetzung des Gewichtes des Gerätes 16 kann dadurch erfolgen, dass etwas Blei aus dem Raum zwischen der Quelle und dem Anzeigegerät entfernt und genügend Blei beibehalten wird, um eine hinreichende Gammastrahlen-Abschirmung zu schaffen. Um das Aggregat widerstandsfähiger auszubilden, kann der entstehende Zwischenraum mitirgendeinem geeigneten Stoff von geringem Gewicnt, etwa mit Aluminium, ausgefüllt werden.
Es wurde getunden, dass die wichtigste Wirkung, auf die Rücksicht genommen werden muss, diejenige ist, die durch den Schlammkuchen an der Seitenwandang des Bohrloches entsteht. Da es, wie im Falle der Bohrlochgrössenwirkung erwartet wird, dass die stärkste Wirkung für den grössten. Kontrast zwischen der Formationsdichte und der Schlammkuchendichte eintritt, so wurden Versuche in einer Kalksteinformation durchgeführt, indem laboratpriumsmässige"Schlammkuchen"von 4, 8 mm Stärke (1, 2 g/cm3) und 6, 4 mm Stärke (2, 1 g/em) verwendet wurden. Es wurden in Längsrichtung räumlich getrennte Quel- len-und Detektor-Abschirmgehäuse verwendet und die Quelle wurde an das Fenster ihres Hohlraumes gesetzt.
Der 1, 2 g/cm Schlammkuchen rief eine 1510igue Zunahme der Zählgeschwindigkeit für einen
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;geführt. Bei einer Vorspannung im Diskriminator 56 (Fig. 1) von der Art, dass die Gammastrahlenenergien von über 45 keV angezeigt wurden, ergab sich eine Schlammkuchenwirkung von 12go. Bei einer Vorspannung, die zum Anzeigen von Gammastrahlen von über 150 keV eingestellt war, nahm die Schlammkuchenwirkung auf 8% ab.
Auf diese Weise kann die Schlammkuchenwirkung durch die Nutzbarmachung derjenigen Gammastrahlen, welche die kleinste W. thrscheinlichkeit der Zusammenwirkung mit der Schlammasse haben, entweder infolge ihres niedrigen Dämpfungskoeffizienten in der Schlammasse (energetisch starke Gammastrahlen), oder infolge der Tatsache herabgesetzt werden, dass nur ein kleiner Teil ihres Gesamtweges von der Quelle zum Detektor in dem Schlamm kuchen verläuft.
Um Schlamm kuchenwirkungen herabzusetzen, kann die Einrichtung nach Fig. 3 in der in Fig. 5 gezeigten Weise eine Abänderung erfahren. Dort ist ein abgewandeltes Gerät 16'veranschaulicht, dessen Behälter 22'durch einen Teil 70 ergänzt ist, der sich gegen die an die Seitenwand anlegende Fläche 21' anlehnt. Eine erweiterte Aussparung 71 für die Quelle nimmt eine Tablette 72 aus Hg203 oder einer andern Gammastrahlenquelle geringer Energie auf ; zwischen dem Behälterteil 70 und der Quelle 72 sind in parallelenwaagrecht veriaufenden Ebenen mehrere Abschirmfenster 73 angeordnet. Bei dieser Ausführungform wird vorzugsweise eine kleine Energiequelle vorgesehen, um eine gewünschte Kollimation mit relativ dünnen Fensterchen zustandezubringen.
Eine ähnliche Gruppe von Fenstern 74 ist zwischen dem Behälterteil 70 und dem mit gestrichelten Umrisslinien angedeuteten fluoriszierenden Element 34'angeordnet, wobei ein abgeänderter Aluminiumteil 77 oberhalb der Fenster 74 vorgesehen ist.
Die Abschirmfenster 73 und 74 können aus Blei bestehen und die die Gammastrahlen durchlassende Zwischenräume zwischen ihnen sind mit einem Stoff mit einem geringen Gammastrahlen-Absorptionskoeffizienten, etwa mit durch die Bezugszahlen 75 und 76 bezeichnetem Wasserstoff-Kunstharz oder Beryllium ausgefüllt.
Bei dieser abgewandelten Anordnung treten sämtliche Gammastrahlen aus der Quelle 72 in die Erdformationen quer zur Schlammasse ein und die Gammastrahlen werden, wenn sie im wesentlichen quer zur Schlammasse verlaufen, durch das Anzeigegerät 34'aufgefangen. Demgemäss wird die durch Gammastrahlen durchquerte mittlere Dicke der Schlammasse auf einem Minimum gehalten und der Schlammas-
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seneffekt herabgesetzt.
Eine andere Anordnung zum Herabsetzen des Schlammasseneffektes ist in Fig. 6 veranschaulicht, gemäss welcher die Gammastrahlenquelle in eine enge Verbindung mit den Formationen gebracht ist. Zu diesem Zwecke ist eine Quelle 80 in einer Mulde 81 an der Vorderseite eines messerförmigen Teiles 82 angeordnet. Der Teil 82 besteht aus einer Wolfram-Kupfer-Nickel-Legierung ; die Quelle 80 kann aus radioaktivem Quecksilber mit dem Atomgewicht 203 bestehen, das Gammastrahlen relativ niedriger Energie ausstrahlt. Obwohl dar Messer 82 somit relativ klein sein kann, blockiert es die gesamte Gammastrahlung wirksam ausser derjenigen, die nach vorn durch eine verhältnismässig dünne Wolfram-KarbidSchneidekante 83 ausgestrahlt wird.
Das Messer 82 ist an seinem ändern Ende um einen, sich quer durch einen Längsschlitz 85 im Vorderteil des Gerätes 16'erstreckenden Zapfen 84 schwenkbar. Der Schlitz ist gross genug, so dass das Messer 82 in eine durch den gestrichelten Umriss 82'veranschaulichte "verdeckte" Lage zurückgezogen werden kann ; eine Feder 86 hält das Messer in vorgespannter Lage auf seinem Zapfen 84. Das Messer wird auf diese Weise in Eingriff mit der Schlammasse 87 gedrückt und sobald das Gerät durch das Bohrloch nach oben gezogen wird, ermöglicht die Schneidekante 83 dem Messer, die Schlammasse zu durchdringen.
Dadurch wird die Quelle 80 in enge Verbindung mit der Formationsmasse 88 gebrachtund die Schlammwirkung kann auf annähernd die Hälfte herabgesetzt werden.
Falls erwünscht, kann das Messer 82 mit geeigneten, mit dem Gehäuse 33 des Anzeigegerätes zusammenwirkenden mechanischen Lenkern verbunden werden, so dass das Gehäuse 33 bei der Schwenkbewegung des Messers um einen geeigneten Betrag versetzt sowie ein gegebener Abstand S-D aufrechterhal- ten werden kann.
Es wurde gefunden, dass durch die Verwendung von Hg21J3 als Gammastrahlenquelle eine gesteigerte Dichteempfindlichkeit für eine gegebene Länge der anliegenden Seitenwandung des Gerätes in Längsrich- tung erhalten werden kann. Gegebenenfalls kann eine gegebene Empfindlichkeit, die mit einer Radiumoder Co"-Quelle ausgeführt wurde, aufrecht erhalten werden, auch wenn die Länge des Gerätes vermindert ist. Dementsprechend führt eine bessere Verbindung zwischen dem Gerät und der Bohrlochseitenwandung zu einer grösseren Genauigkeit bei den mit der Einrichtung nach der Erfindung erhaltenen Dichtemessun- gen.
Fig. 7 stellt eine typische Eichkurve für die in Fig. 1 und 3 dargestellte Einrichtung dar, u. zw. aufgezeichnet als Dichtewerte in g/cm3 in Abhängigkeit von Zählungen pro Sekunde, bezogen auf Mill1curie (Quelle). Dieser Kurve kann entnommen werden, dass die Einrichtung die gewünschte hohe Empfindlichkeit hat ; es findet eine grosse Veränderung in der Zählgeschwindigkeit für eine relativ geringe Dichtever- änderung statt. Dementsprechend verursachen geringe Unbestimmtheiten in der Zählgeschwindigkeit infolge von entweder statischer Schwankungen oder systematischer, etwa durch Schlammasse, Schlammdichte usw. hervorgerufenen Ursachen, keine nennenswerte Verminderung der Genauigkeit der Dichtemessungen.
Es ist deshalb klar, dass die erfindungsgemässe Gammastrahlen-Einrichtung für die Untersuchung eine grössere Genauigkeit gewährt, als früher erreichbar war.
Es sind besondere Gammastrahlen-Quellen, u. zw. Co , Hg "und Radium aufgezählt worden, es können natürlich auch andere Quellen verwendet werden, entweder natürlich radioaktive oder Quellen, bei denen die Gammastrahlung durch beschleunigte Teilchen erzeugt wird, die auf einen geeigneten Prallkörper auftreffen. Es können ferner andere Anzeigegeräte bzw. Detektoren verwendet werden. So kann z. B eine Ionisationskammer bei der Einrichtung nach der Erfindung verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Untersuchung von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen, unter Verwendung eines durch das Bohrloch hindurch bewegten Trägers mit einer an die Wandung des Bohrloches anlegbaren Fläche, der mit einer Gammastrahlen-Quelle und einem Detektorsystem versehen ist, welche innerhalb des Trägers dicht an der anlegbaren Fläche angeordnet sind, und der eine Abschirmung für Gammastrahlen enthält, die sich an die erwähnte Fläche anschliesst und die Quelle und das Detektor- system teilweise umschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass in der an der Bohrlochwand anlegbaren FlAche eine weitere Abschirmung vorgesehen ist, die im wesentlichen nur Gammastrahlen durchlässt, welche die an das Bohrloch anlegbare Fläche (21) in Richtung senkrecht zur Bohrlochwandung durchdringen.