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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Verstärkungsfaktors der Verstärkungseinrichtung eines Bohrlochuntersuchungssystems, wobei die Zählimpulse eines Energiebereiches des von der umgebenden Erdformation in einer Zeiteinheit erzeugten Gammastrahlen-Energiespektrums ermittelt werden und ein Fehlersignal proportional zur Differenz der Zählimpulsmengen zwischen den ermittelten Zählimpulse und einem vorgegebenen Vergleichsimpulssignal in der Zeiteinheit gebildet wird, mit dem der Verstärkungsfaktor im Sinne eines linearen Zusammenhanges zwischen den im Bohrloch gemessenen und den verstärkten Zählimpulse geregelt wird. Ein solches Verfahren ist etwa aus der deutschen Offenlegungsschrift 2245833 bekannt.
Da die Temperatur im Bohrloch nicht linear als Funktion der Bohrlochtiefe variiert, ist jegliche bei diesem bekannten Verfahren vorgenommene Temperaturkompensation, die in den Schaltkreisen der Sonde oder den Schaltkreisen der übertätig angeordneten Anlage des Untersuchungssystems vorgenommen wird, wenig wirkungsvoll, da die Temperaturverteilung innerhalb des Messkabels nicht vorherbestimmbar ist. Die Dämpfung der Kabel-Impedanz, die durch den nicht vorherbestimmbaren Effekt der Wärmeverteilung bewirkt wird, kann eine scheinbare Verstärkungsfaktordrift im System bewirken.
Somit sind Systeme mit offenem Regelkreis für die Verstärkungsfaktorkompensation, im Sinne der Verwendung von vorbestimmten oder vorausgesetzten Temperaturkompensationskomponenten innerhalb der Sonde und in der übertätig angeordneten Anlage zum Scheitern verurteilt, insbesondere wenn es sich um eine Kompensation von Fehlern, die vom Messkabel herrühren, handelt. Sind weiters noch kennzeichnende Werte innerhalb des Gammastrahlenspektrums nicht erhältlich, ist die Anwendung eines solchen bekannten Verfahrens nicht ratsam.
Andere Nicht-Linearitäten, die in die Messung mit eingehen können, sind Temperatureinwirkungen auf den Detektor-Kristall oder Nicht-Linearitäten auf Grund wechselnder Kennparameter der Photo-Vervielfacherröhre, die im Szintillationsdetektor verwendet werden. Diese Nicht-Linearitäten können durch das bekannte Verfahren gleichfalls nicht beseitigt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren anzugeben, welches die angeführten Nachteile des bekannten Verfahrens vermeidet.
Dies wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs angeführten Art dadurch erreicht, dass die in der Zeiteinheit empfangenen Zählimpulse mindestens eines zweiten vorbestimmten Energiebereiches des Gammastrahlen-Energiespektrums ermittelt werden, dass ein Signal proportional zum Verhältnis der Anzahl der Zählimpulse der mindestens zwei vorbestimmten Energiebereiche erzeugt und ein Signal als Fehlersignal gebildet wird, welches proportional der Differenz der Zählimpulsmengen zwischen dem Verhältnissignal und dem vorgegebenen Vergleichsimpulssignal ist, und dass das Fehlersignal als Gegenkopplungssignal der Verstärkereinrichtung des Bohrloch-Untersuchungssystems zugeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsweise des Verfahrens besteht darin, dass zur Ermittlung von Zählimpulse zweier vorbestimmter Energiebereiche ein vorbestimmter Energiebereich in der Nähe der Gammastrahlenlinie eines üblichen Bohrlochmaterials, etwa Eisen, und der zweite Energiebereich an der abfallenden Flanke dessen Gammastrahlerlinie ausgewählt wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens aus der sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein vereinfachtes Gesamt-Blockdiagramm einer erfindungsgemässen Vorrichtung für ein Bohrloch-Untersuchungssystem und Fig. 2 ein schematisches Energiediagramm, das die relative Lage von Gammastrahlen-Energie-
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elektrischen Signalen oder Impulsen einer übertags angeordneten Verarbeitungs-Anlage am andern übertags angeordneten Ende des Messkabels zuleitet.
Die Sonde--2--besitzt ein flüssigkeitsdichtes, langgestrecktes Stahlgehäuse, welches derart ausgebildet ist, dass es in Längsrichtung durch ein Bohrloch --4-- in den Erdformationen --3-- geführt werden kann.
Im Stahlgehäuse ist eine Neutronenquelle--6--und ein Strahlungsdetektor--10--, vorzugsweise ein Szintillations-Zähler angeordnet, der eine Photovervielfacher-Rôhre--11--und einen Szintillations-Kristall
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bewegt wird bombardiert die Neutronenquelle--6--angrenzende Bereiche der Erdformation--3--mit hochenergetischen Neutronen, z. B. mit solchen, wie sie durch die bekannte Deuterium-Tritium Reaktion (14 MeV-Neutronen) erzeugt werden.
Der Szintillations-Zähler --10-- zählt die Zählimpulse des von der umgebenden Erdformation--3-als Resultat des Neutronenbeschusses ausgehenden erzeugten Gammastrahlen-Energiespektrums. Ein Strahlungs-Schutzbild--9--ist zwischen dem Szintillations-Zähler--10--und der Neutronenquelle--6-angeordnet, um eine direkte Bestrahlung des Zählers --10-- durch die Neutronenquelle--6-auszuschliessen.
Hochenergetrische Neutronen, wie sie von der Neutronenquelle--6--erzeugt werden, durchdringen leicht die Stahlverrohrung-19-und die sie umgebende Zementschicht --7-- und dringen in die umgebende Erdformation--3--ein. Entweder die aus der unelastischen Streuung der Neutronen her
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der Strahlenimpulse ist. Es kann in der Sonde--2--ein Energie-Diskriminator--13--verwendet werden, der nur Impulse oberhalb einer bestimmten Impulshöhe entsprechend den Gammastrahlimpulsen oberhalb eines bestimmten Energieniveaus durchlässt und diese Impulse einem Verstärker --14-- und einem Messkabel-Antriebs-Schaltkreis-15-zwecks Weiterleitung zur Erdoberfläche über das Messkabel-18-- zuführt.
Die einzelnen Teile der Sonde --2-- werden über das Messkabel --18-- von einer Gleichspannungsquelle --35-- mit Gleichspannung versorgt. Die Gleichspannungsquelle --35-- ist von den übrigen Signal-Verarbeitungs-Schaltkreisen an der Erdoberfläche durch einen Messwertgeber-Schaltkreis --21--
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gesteuert werden. Die von der untertägigen Sonde erzeugten Impulse oder Signale werden den übertätig angeordneten Signal-Verarbeitungs-Schaltkreisen von dem Messwertgeber-Schaltkreis --21-- über eine Verstärker-Einrichtung --22-- zugeführt, deren Verstärkungsfaktor in einer noch zu beschreibenden Art gesteuert wird.
Von der Verstärkereinrichtung --22-- werden die Signale einem Vielkanal-Impulsehöhenanalysator - zugeführt und dort unterteilt in die Anzahl von Zählvorgängen, die in jedem einer Vielzahl von Energiebereichen auftritt. Die Anzahl der in jedem Energiebereich innerhalb des Gammastrahlen-Energiespektrums auftretenden Zählvorgänge kann dann, falls es gewünscht wird, von Datenverarbeitungs-Schaltkreisen - verarbeitet und einem Aufzeichnungsgerät --42-- zugeführt werden.
Das Aufzeichnungsgerät --42-- kann, wie es durch die gestrichelt dargestellte Linie--16--angedeutet ist, ein Aufzeichnungsmedium aufweisen, das in Abhängigkeit von der jeweiligen Bohrlochtiefe angetrieben wird, indem es mechanisch oder elektrisch von einer Rolle --17--, über die das Messkabel --18-- geführt ist, angetrieben wird.
Als Neutronenquelle --6-- kann eine in einer Kapsel vorgesehene Mischung aus Plutonium und Beryllium verwendet werden. An Stelle eines Szintillations-Zählers können auch Detektoren anderer Bauart verwendet werden. Das Diskriminierungsniveau des Diskriminators--13--kann so eingestellt werden, dass von einer Untergrund-Gammastrahlung herrührende Impulse unterdrückt werden. Eine solche unerwünschte Untergrundstrahlung kann durch eine Neutronenaktivierung des im Detektor-Kristall vorhandenen Jodes bewirkt werden. Bei Verwendung eines Diskriminators wird die Anzahl der vom Messkabel zu übertragenden Zähl-Impulse und damit auch die Anforderungen in bezug auf die Bandbreite der vom Messkabel --18-- zu übertragenden Impulse reduziert.
In Fig. 2 ist beispielhaft ein Bereich des Gammastrahlen-Spektrums, das den Energiebereich von etwa 5, 7 bis etwa 8 MeV umfasst, also ein Bereich, in dem zwei Energiefenster zur Regelung des Verstärkungsfaktors verwendet werden, dargestellt. Dieser Energiebereich beinhaltet einige Werte, die kennzeichnend für Eisen (Fe)-Gammastrahlen sind, die die Werte 5, 92 MeV, 6, 02 MeV und 7, 64 MeV von Eisen-Gammastrahlen einschliessen. Ein Energiefenster von etwa 0, 5 MeV Breite ist im Bereich um den 7, 00 MeV-Wert herum angeordnet und fällt in den Bereich des Gammastrahlen-Energiespektrums, in welchem der Wert eines dieser drei bekannten Eisen-Werte sich maximal im Spektrum verteilt.
Das zweite Energiefenster ist ebenfalls etwa 0, 5 MeV
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einen Bereich des Gammastrahlen-Energiespektrums erstreckt, der die abfallende Flanke der drei erwarteten Werte darstellt. Da die Verrohrung--19--und das Gehäuse der Sonde --2-- Eisen enthält, wird normalerweise erwartet, dass die Eisen-Gammastrahlen darstellenden Werte im übermittelten GammastrahlenSpektrum vorhanden sind. Jedoch nur wenn keine unterscheidbaren Eisen-Werte im Spektrumsbereich der vorbeschriebenen Eisen-Gammastrahlenwerte vorhanden sind, verbleibt das Verhältnis an Zählvorgängen in diesen beiden Energiefenstern durchschnittlich konstant. Sogar wenn die Eisen-Gammastrahlenwerte durch die Hintergrundstrahlung verzerrt sind, z.
B. durch eine Compton-Streustrahlung, die aus andern Elementen her resultiert, verbleibt das Verhältnis der Zählvorgänge innerhalb dieser beiden Energiefenster relativ konstant.
Dieses Verhältnis signal kann als Vergleichsniveau für den automatisch arbeitenden Verstärkungsfaktorregelschaltkreis gemäss Fig. 1 verwendet werden. Damit wird ein Verfahren geschaffen mit dem der Verstärkungsfaktor im Sinne eines linearen Zusammenhanges zwischen den im Bohrloch gemessenen und den verstärkten Zählimpulse geregelt wird, ohne dass das Vorhandensein von unterscheidbaren bekannten Energiewerten im Gammastrahlen-Spektrum benötigt wird.
Die von der Sonde --2-- gelieferten Impulse werden dem Messwertgeber-Schaltkreis --21-- zugeführt, u. zw. in durch Steuerimpulse eines Taktgebers --25-- bestimmten Zeitintervallen. Diese Impulse gelangen zur Verstärkereinrichtung --22-- und werden danach entsprechend verstärkt dem Vielkanal-Impulshöhenanalysator - -40-- zugeführt. Die Steuerimpulse des Taktgebers --25-- werden über das Messkabel --18-- zur
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Steuerung der untertägigen Neutronenquelle--6--auch einen Impulsgeber-Schaltkreis --8--, der den Beschleunigerteil--16--der Neutronenquelle--6--steuert, zugeleitet.
Auf diese Weise kann die Neutronenquelle--6--entsprechend der Steuerinformationen des Taktgebers--25--und der Zähleinrichtung --26-- an- bzw. abgeschaltet werden und eine Synchronisation zwischen den übertags angeordneten Verarbeitungs-Schaltkreisen und der untertägigen Ausrüstung erreicht werden. So werden z. B. vom Taktgeber--25--und der Zähleinrichtung --26-- Steuerimpulse dem Impulsgeber-Schaltkreis --8-zugeführt, um den Beschleunigerteil --16-- der Neutronenquelle --6-- für eine vorbestimmte Zeitdauer zu aktivieren.
Gleichzeitig können der Taktgeber --25-- und die Zähleinrichtung --26-- einen Konditionierungsimpuls für den Messwertgeber-Schaltkreis --21-- erzeugen, um Zählimpulse, die während der Erzeugung eines Neutronenimpulses durch die Neutronenquelle --6-- und in einer kurzen Zeitdauer danach auftreten, am Durchlaufen des Messwertgeber-Schaltkreises --21-- und der Verarbeitungs-Schaltkreise zu hindern. Auf diese Weise sind nur eine vorbestimmte Zeit nach der Aktivierung der Neutronenquelle auftretende Neutroneneinfang-Ereignisse die primäre Datenquelle für den Impulshöhen-Analysator.
Die vom Messwertgeber-Schaltkreis --21-- erzeugten Eingangs-Impulse für den Impulshöhen-Analysator beinhalten eine Reihe von Impulsen, deren Amplitude jedesmal ein Mass für die Energie ist, die der jeweilige Gammastrahl im Detektor-Kristall --12-- verliert. Diese Energie ist bezogen auf die Energie, die der Gammastrahl beim Auftreffen auf den Kristall --12-- besass. Die Impulse werden der Verstärkereinrichtung --22-- und von dieser dem Vielkanal-Impulshöhen-Analysator --40-- und dem LinearitätssteuerungsSchaltkreis zugeführt, der in Fig. 1 mit gestrichelten Linien umrandet ist.
In dem Linearitätssteuerungs-Schaltkreis werden die ankommenden Eingangssignale zwei Einzelkanal-Impulshöhen-Analysatoren-23 und 24-zugeleitet, deren Energiebereiche so gewählt sind, dass nur Impulse durchgelassen werden, die innerhalb der beiden vorbeschriebenen Energiebereiche auftreten und zur Linearitätssteuerung des Systems überwacht werden.
Somit werden z. B. nur Gammastrahlenimpulse mit Impulshöhen, welche dem ersten bzw. unteren Energiebereich entsprechen durch den Einkanal-Impulshöhen-Analysator--23--durchgelassen. jene Impulse mit Impulshöhen, die der Gammastrahlen-Energie des zweiten bzw. höheren Energiebereiches entsprechen, werden
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--27Impulssumme im Zwischenspeicher--28 bzw. 30--in digitaler Form gespeichert. Diese Digitalwerte in den Zwischenspeichern--28 bzw. 30--werden Digital-Analog-Konvertern--31 bzw. 32-- zugeführt und in entsprechende analoge Spannungsgrössen umgewandelt. Die beiden von den Digital-Analog-Konvertern--31 bzw. 32-- gelieferten Spannungsgrössen werden als Eingangssignale einer Analog-Divisionseinrichtung--33-zugeführt.
Die Divisionseinrichtung--33--erzeugt ein Ausgangssignal, welches proportional ist dem Verhältnis des Speicherinhaltes des Zwischenspeichers--30--zu jenem des Zwischenspeichers --28--. Diese Verhältnis-Spannung wird dann über einen Tiefpass-Filter --34-- zur Steuerung des Verstärkungsfaktors dem Verstärker --22-- als Gegenkopplungssignal zugeführt, wobei das Fehlersignal im Verstärker --22-- selbst erzeugt wird. Der Taktgeber--25--, der mit einer Zähleinrichtung --26-- verbunden ist, erzeugt
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und 30-- in regelmässigen Abständen.
Diese Abstände entsprechen dem Arbeitszyklus des Systems, da der gleiche Taktgeber--25--zur Steuerung der untertätig angeordneten Schaltkreise, wie bereits vorbeschrieben, verwendet wird.
Die Arbeitsweise des Systems kann wie folgt beschrieben werden : Zu Beginn eines neuen Arbeitszyklus
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eine vorbestimmte Zeitspanne aktiviert. Der gleiche Impuls von der Zähleinrichtung -26- wird einer zweiten Zähleinrichtung --45-- zugeleitet. Erreicht die Zähleinrichtung einen vorbestimmten Wert, wird zum Freigeben der Zwischenspeicher--28, 30--und Rückstellung der Zähleinrichtungen--27 und 29-auf Null
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von der Zähleinrichtung --26-- wird ausserdem dem Messwertgeber-Schaltkreis --21-- zugeleitet, um die Aufnahme jeglicher Zählimpulse von der untertägigen Sonde für eine vorbestimmte Zeitspanne zu verhindern, z. B. wie im vorbeschriebenen Fall, wo die Messung von Neutronen-Gammastrahleneinfang-Spektren gewünscht wird.
Werden jedoch unelastische Gammastrahlen-Spektren gemessen, wird diese zeitliche Unterbrechung nicht benötigt. Durch Verwendung der beiden Zähleinrichtungen --45 und 46--kann der Arbeitszyklus des Linearitätssteuerungs-Schaltkreises einige Arbeitszyklen der Neutronen-Impulsquelle umfassen. Unter typischen Arbeitsbedingungen kann die Neutronenquelle --6-- mit bis zu 20000 Steuersignalen/sec von der ZähleinrichtUng --26-- beaufschlagt werden. Der Linearitätssteuerungs-Schaltkreis kann für einen neuen Arbeitszyklus alle 2 oder 3 sec rückgestellt werden oder jedesmal, wenn eine entsprechend grosse Anzahl an Zählvorgängen in den Zwischenspeichern--28 und 30--auftritt, die eine gute Zählstatistik sicherstellen.
Sofort nach der Eingabe des Impulses in die Neutronenquelle-6-, werden die in den
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Szintillationszähler --10-- gelangenden Gammastrahlen ermittelt und der Energie entsprechende elektrische Impulse erzeugt, die im Verstärker --14-- verstärkt und durch das Messkabel --18-- von dem
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gehalten. Die Signale in den Zwischenspeichern--28 und 30--werden dann von Digital/Analog-Konvertern --31, 32--in analoge Form gebracht und der Analog-DivisionseinrichtUng --33-- übermittelt, die eine Verhältnis-Regelspannung erzeugt. Die Regelspannung ist proportional dem Verhältnis der Gammastrahlen-Zählvorgänge, die in den beiden Energiefenstern auftreten.
Diese Regelspannung wird über einen Tiefpass-Filter --34-- zur Steuerung des Verstärkungsfaktors dem Verstärker --22-- und/oder der Ausgangsspannung der Spannungsquelle --35-- übermittelt, um ungefähr ein konstantes Zählvorgangs-Verhältnis in den beiden Energiefenstern aufrecht zu erhalten.
Die Impulse des Verstärkers --22-- werden ebenso dem Vielkanal-Impulshöhen-Analysator--40-zugeführt, der in üblicher Bauart ausgebildet sein kann, und von dort zum zusätzlichen Daten-Verarbeitungs-Schaltkreis-41-und dem Aufzeichnungsgerät-42--, das als Funktion der Bohrlochtiefe angetrieben wird.
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werden können und die entsprechenden Zählvorgangs-Verhältnisse ermittelt und für diesen Zweck verwendet werden können. Ebenso können andere Energiebereiche verwendet werden, wobei Energiebereiche so gewählt werden sollten, dass das Verhältnis der auftretenden Zählvorgänge unter üblichen Bohrlochbedingungen ungefähr konstant bleibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Regelung des Verstärkungsfaktors der Verstärkungseinrichtung eines Bohrlochuntersuchungssystems, wobei die Zählimpulse eines Energiebereiches des von der umgebenden Erdformation in einer Zeiteinheit erzeugten Gammastrahlen-Energiespektrums ermittelt werden und ein Fehlersignal proportional zur Differenz der Zählimpulsmengen zwischen den ermittelten Zählimpulse und einem vorgegebenen Vergleichsimpulssignal in der Zeiteinheit gebildet wird, mit dem der Verstärkungsfaktor im Sinne eines linearen Zusammenhanges zwischen den im Bohrloch gemessenen und den verstärkten Zählimpulse geregelt wird,
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zweiten vorbestimmten Energiebereiches des Gammastrahlen-Energiespektrums ermittelt werden,
dass ein Signal proportional zum Verhältnis der Anzahl der Zählimpulse der mindestens zwei vorbestimmten Energiebereiche erzeugt und ein Signal als Fehlersignal gebildet wird, welches proportional der Differenz der Zählimpulsmengen
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