DE10034810A1 - Verfahren und Meßsonde zur bohrlochgeophysikalischenMessung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip in Bohrungen, Grundwassermeßstellen und Brunnen, mit Gammadetektoren (4), welche die Gamma-Rückstreustrahlung einer radioaktiven Gamma-Strahlenquelle (10) detektieren. DOLLAR A Damit Unterschiede im das Bohrloch umgebenden Gestein bzw. Material festgestellt werden können, ist die Erfindung gekennzeichnet durch mindestens eine Einheit aus einer Bleiabschirmung (7) mit darin angeordneter Strahlenquelle (10) und einem Austrittsfenster (6) für die Strahlung der Strahlenquelle (10) und einem Gammadetektor (4), der ebenfalls in einer Bleiabschirmung (7) mit einem Eintrittsfenster (5) für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist und mit dieser Einheit die gesamte horizontale Ebene vermessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip in Bohrungen, Grundwassermeßstellen und Brunnen, mit Gammadetektoren, welche die Gamma-Rückstreustrahlung einer radioaktiven Gamma-Strahlenquelle detektieren.

Bohrlochgeophysikalische Verfahren zur Messung der Dichte erfassen diese übli­ cherweise nicht richtungsorientiert. Bohrlochgeophysikalische Meßsonden zur Dich­ temessung üblicher Bauart verfügen dementsprechend über nur einen fest in der Meßsonde eingebauten Detektor zur Erfassung der in ein Bohrloch aus dem Gebirge einfallenden Gammarückstreustrahlung, auch Comptoneffekt genannt, ebenso über nur eine radioaktive Gammastrahlenquelle. Derartige Meßsonden werden seit vielen Jahren in der Bohrlochgeophysik eingesetzt (Hamilton, R. G.; The revolution in well logging: The Oil and Gas Journal, v. 58, n. 26, p. 187-188. oder R. P. Alger, L. L. Raymer, W. R. Hoyle, M. P. Tixier; Formation density log applications in liquid filled holes. SPE Paper 435, Los Angeles 1962 oder P. E. Baker; Density logging with gamma rays. Petr. Trans AIME, 210, 1957 oder J. L. P. Campbell, J. C. Wilson; Den­ sity logging in the Gulf Coast. J. Petr. Techn., Juli 1958, S. 21-25 oder New logging technique measures density, porosity. World Oil, Dez 1954). Über diese Anordnun­ gen wird über sogenannte Dichtekalibrierungen die Dichte des Gebirges in einer sich zufällig ergebenden horizontalen Richtung bestimmt, ohne daß unterschieden wer­ den kann, ob es Dichteunterschiede in unterschiedlichen azimutalen Richtungen gibt.

Bekannt sind weiterhin Anordnungen bei Gamma-Gamma-Dichtemeßsonden, die drei und mehr Detektoren für die Gammastrahlenmessung besitzen (EP 0 864 884 A2). Diese Detektoren sind auf einer vertikalen Linie oberhalb oder unterhalb der Strahlenquelle angeordnet und dienen dabei der rechnerischen Eliminierung des Einflusses von Bohrlochdurchmesser, Rauhigkeit der Bohrlochwand und des Filter­ kuchens auf die Dichtebestimmung nach der Gamma-Gamma-Methode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, daß Dichteunterschiede im das Bohrloch umgebenden Material richtungsseelektiv gemessen werden können. Außerdem soll eine Meß­ sonde zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Erfindungsgemäß ist die Lösung dieser Aufgabe bezüglich des Verfahrens gekenn­ zeichnet durch mindestens eine Einheit aus einer Bleiabschirmung mit darin ange­ ordneter Strahlenquelle und einem Austrittsfenster für die Strahlung der Strahlen­ quelle und einem Gammadetektor der ebenfalls in einer Bleiabschirmung mit einem Eintrittsfenster für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist und mit dieser Einheit die gesamte horizontale Ebene vermessen wird.

Vorteilshafterweise sind das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster in einer vertika­ len Ebene angeordnet.

In bevorzugter Ausführungsform wird die gesamte horizontale Ebene in einzelnen Segmenten unterteilt vermessen und für jedes Segment wird eine unabhängig regi­ strierende Einheit aus Gammadetektor und Strahlenquelle verwendet und die Mess­ werte jedes Segments werden separat erfasst und ausgewertet.

In alternativer Ausführungsform wird eine um ihre vertikale Achse rotierende Einheit verwendet.

Dabei rotieren zweckmäßigerweise die Bleiabschirmungen und der oder die Gam­ madetektoren um ihre vertikale Achse und die Strahlenquelle ist starr angeordnet.

Bevorzugt werden die Gammadetektoren und die zugehörige Bleiabschirmung auf hinsichtlich der Länge variabel einstellbaren und rotierenden Auslegern angeordnet.

Hierbei kann der Ausleger mit einem Andrückmechanismus versehen sein, der die Gammadetektoren mit der Bleiabschirmung und gegebenenfalls die Strahlenquelle gegen die Innenwand des Bohrlochs drückt.

Sinnvollerweise sind der oder die Gammadetektoren oder die Einheit mit einem Ori­ entierungssystem zur Bestimmung der Lage zu geographisch Nord oder relativ zu einem Bezugspunkt gekoppelt.

In bevorzugter Ausführungsform sind mehrere Detektoren in verschiedenen Abstän­ den zu einer oder mehreren Strahlenquellen angeordnet.

Eine Meßsonde zur Lösung der gestellten Aufgabe, insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsande min­ destens eine Einheit aus einer Bleiabschirmung mit darin angeordneter Strahlen­ quelle und einem Austrittsfenster für die Strahlung der Strahlenquelle und einem Gammadetektor, der ebenfalls in einer Bleiabschirmung mit einem Eintrittsfenster für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist, enthält.

Bevorzugt sind das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster in einer vertikalen Ebene angeordnet.

Vorteilhafterweise wird eine um ihre vertikale Achse rotierende Einheit verwendet.

In bevorzugter Ausführungsform rotieren die Bleiabschirmungen und der oder die Gammadetektoren um ihre vertikale Achse und die Strahlenquelle ist starr angeord­ net.

Zweckmäßigerweise sind die Gammadetektoren und die zugehörige Bleiabschir­ mung auf hinsichtlich der Länge variabel einstellbaren und rotierenden Auslegern angeordnet.

Dabei ist bevorzugt der Ausleger mit einem Andrückmechanismus versehen, der die Gammadetektoren mit der Bleiabschirmung und gegebenenfalls die Strahlenquelle gegen die Innenwand des Bohrlochs drückt.

Sinnvollerweise sind der oder die Gammadetektoren oder die Einheit mit einem Ori­ entierungssystem zur Bestimmung der Lage zu geographisch Nord oder relativ zu einem Bezugspunkt gekoppelt.

In bevorzugter Ausführungsform sind mehrere Detektoren in verschiedenen Abstän­ den zu einer oder mehreren Strahlenquellen angeordnet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte horizontale Ebene von 0 bis 360° mit einer richtungsselektiv arbeitenden Dichtemeßanordnung, die nach der Gamma-Gamma-Methode arbeitet, während einer Meßfahrt (Bewegung der Meß­ sonde an einem Meßkabel vom untersten zu messenden Punkt einer Bohrung, eines Brunnens oder einer Grundwassermeßstelle bis zum obersten zu messenden Punkt) hinsichtlich der Dichte erfaßt wird, und die gewonnenen Dichtemeßwerte jeweils mit dem zugehörigen Azimut- und Tiefenwert als Wertetripel erfaßt werden. Zur Durch­ führung des Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Meßsonde angegeben.

Vorteilhafterweise wird ein um seine vertikale Achse rotierendendes System aus Gammastrahlenabschirmung und radioaktiver Quelle verwendet.

In einer alternativen Ausführungsform wird die gesamt horizontale Ebene von 0 bis 360° in zwei oder mehr Segmente unterteilt und jedes Segment durch ein unabhän­ gig registrierendes System aus Gammadetektor und radioaktiver Gammastrahlen­ quelle untersucht. In bevorzugter Ausführungsform sind die Gammadetektoren und die radioaktive Quelle an Armen mit einem Andrückmechanismus angeordnet. Damit können die Meßanordnungen bestehend aus Detektor und Quelle an die Innenwand der Bohrung, des Brunnens oder der Meßstelle angedrückt werden oder in konstan­ tem Abstand zu dieser gehalten werden.

In einer anderen alternativen Ausführungsform rotieren der Gammadetektor, die ra­ dioaktive Gammastrahlenquelle oder alle beide auf einem vorher hinsichtlich der Länge variabel einregelbaren Ausleger. Vorteilhaft ist es auch, mehrere Anordnun­ gen, bestehend aus Detektor und radioaktiver Quelle, auf hinsichtlich der Länge va­ riabel einregelbaren Auslegern um einen zentrierten Sondenkörper, der gleichzeitig als Drehachse fungiert, rotieren zu lassen. Hierdurch ist es möglich, daß die Anord­ nung an verschiedene Innendurchmesser von Bohrungen, Brunnen und Grundwas­ sermeßstellen angepaßt werden kann.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform rotieren um eine vertikale Achse eine radioaktive Quelle und ein Detektor.

Eine weitere alternative Ausführungsform ist dann gegeben, wenn die Gammade­ tektoren und die radioaktive Quelle in einem starren System symmetrisch oder asymmetrisch zueinander angeordnet sind.

Bevorzugt ist das Meßsystem mit einem Orientierungssystem zur Bestimmung der Lage zu geographisch Nord oder relativ zu einem Bezugspunkt gekoppelt, so daß je­ dem ermittelten Dichtewert eine Richtung zugeordnet werden kann.

Vorteilhafterweise erfassen der oder die Gammadetektoren durch Abschirmungen nur azimutal einfallende Gammastrahlen, wobei die Form und die Größe des erfass­ ten Segmentes durch die Lage und die Form der Abschirmungen mit bestimmt wird.

Der Abstand zwischen radioaktiver Gammastrahlenquelle und dem Gammadetektor kann dabei variabel sein, womit die seitliche Wirkungstiefe des Systems (Spacing) je nach Aufgabenstellung reguliert werden kann.

Zweckmäßigerweise werden mehrere Detektoren in verschiedenen Abständen zu ei­ ner radioaktiven Gammastrahlenquelle angeordnet, um damit gleichzeitig verschie­ dene Spacings's zu erreichen.

Erfindungsgemäß sind in bevorzugter Ausführungsform mindestens zwei Gamma­ detektoren und zwei radioaktive Quellen vorgesehen, die gegeneinander abge­ schirmt sind.

Sinnvollerweise bestehen die Abschirmungen aus Blei, oder einem anderen, die Gammastrahlung absorbierenden Material.

In bevorzugter Ausführungsform verfügt die Meßsonde über ein System zur Erfas­ sung der Meßrichtung der Gammadetektoren oder ist mit einem solchen so verbun­ den, daß jedem Meßpunkt gleichzeitig eine Richtung, absolut zu geographisch Nord oder relativ zu einem Punkt, zugeordnet werden kann.

So verfügt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Meßsonde (nachfolgend Ring­ raumscanner genannt) über mehrere voneinander unabhängig registrierende Gam­ mastrahlendetektoren und radioaktive Quellen, die voneinander durch Gammastrah­ len absorbierende Elemente abgeschirmt sind. Die Detektoren und die radioaktiven Quellen sind räumlich so zueinander angeordnet, daß sie die von den radioaktiven Quellen ausgehende und anschließend wieder in das Bohrloch rückgestreute Gam­ mastrahlung richtungsselektiv messen und dabei einen Vollkreis von 360° in mehre­ ren Sektoren vollständig oder unvollständig abdecken.

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist dann gegeben, wenn eine richtungsselek­ tiv abgeschirmte radioaktive Quelle 360° um eine Achse rotiert und so die einfallende Gammastrahlung nacheinander in alle Richtungen gemessen wird. Durch das bei der geophysikalischen Bohrlochmessung übliche Ab- oder Ausfahren der Meßsonde am Bohrlochmeßkabel, werden hierbei die Meßwerte spiralförmig über die gesamte Boh­ rung, die Grundwassermeßstellen oder den Brunnen erfaßt.

Eine besondere Bedeutung erfährt diese Erfindung beim Nachweis einer ringsum homogenen Abdichtung von Ringräumen (Raum zwischen den Brunnenrohren und der Außenwand der Brunnenbohrung) bei Brunnen und Grundwassermeßstellen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sonde mit rotierenden Abschirmung, in die gleichzeitig eine Gamma-Strahlenquelle eingefaßt ist.

Fig. 2 zeigt ein Meßbeispiel des Ringraumscanners

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sonde mit zwei Strahlenquellen und zwei Detektoren

Fig. 1 zeigt eine Meßsonde bei der die Bleiabschirmung 7, angetrieben durch einen Schrittmotor 3 um ihr Längsachse rotiert. In die Bleiabschirmung 7 ist ein Quellenka­ nal 6 zur Aufnahme der radioaktiven Gammastrahlenquelle 8 eingebettet. Durch die Bleiabschirmung 7 wird gewährleistet, daß in den Detektor 4 nur Strahlung aus einer jeweiligen Vorzugsrichtung gelangen kann. Die Vorzugsrichtung wird dabei durch die Lage und die Größe des Fensters 5 in der Bleiabschirmung 7 und die zum Zeitpunkt der Messung vorgegebene Richtung des Fensters bestimmt. Über den Sondenrechner mit Übertragungselektronik und Richtungsmodul 2, wahlweise Kompass oder Gy­ roskop, wird dabei die Lage des Fensters 5 zu geographisch Nord bestimmt. Im Sondenrechner 2 werden die Meßwerte gleichzeitig aufbereitet und mit Hilfe der Übertragungselektronik 2 werden die Meßdaten über das am Sondenkopf mit Über­ gangsstück 1 angeschlossene Bohrlochmeßkabel an die sich oberhalb des Bohr­ lochs befindende Bearbeitungsstation weitergegeben.

Fig. 2 zeigt ein Meßbeispiel des Ringraumscanners mit einer Meßsonde der unter Fig. 1 beschriebenen Art. Die Messung wurde in einem Brunnen ausgeführt, dessen Ringraum (Raum zwischen den Brunnenrohren und der Außenwand der Brunnen­ bohrung) mit den üblichen Materialien (Kies, Sand, Ton) verfüllt wurde. Die Aufgabe bestand darin, den Nachweis darüber zu erbringen, daß der Ringraum rundum ho­ mogen verfüllt wurde. Hierzu wurden die gemessenen Dichtewerte entsprechend ei­ ne Dichteskala 10 mit den dazugehörigen Tiefen 12 und den jeweiligen Richtungen 9 aufgetragen. Im Ergebnis lassen sich Dichteunterschiede in der Ringraumverfüllung 11, d. h. i. w. S. Materialunterschiede und/oder Brückenbildungen (unverfüllte Berei­ che) feststellen.

Fig. 3 zeigt eine Meßsonde die über vier voneinander unabhängig registrierende Gammastrahlendetektoren 16, 17, 18, 19 und zwei radioaktive Quellen 14 und 15 verfügt, die voneinander durch Gammastrahlen absorbierende Elemente 21, 22 ab­ geschirmt sind. Die Quelle 14, die Abschirmung 22 und die Detektoren 16, 18 bilden dabei eine Einheit. Die Quelle 15, die Abschirmung 21 und die Detektoren 17, 19 bil­ den dabei eine zweite Einheit. Die Detektoren 16, 18 und die radioaktive Quellen 14 bzw. die Detektoren 17, 19 und die radioaktive Quelle 15 sind jeweils räumlich so zueinander angeordnet, daß sie die von der jeweiligen, zur Einheit gehörenden ra­ dioaktiven Quelle ausgehende und anschließend wieder in das Bohrloch rückge­ streute Gammastrahlung richtungsselektiv messen und somit zwei Sektoren eines Vollkreises von 360° abdecken. Auf Grund der unterschiedlich gewählten Abstände zwischen Quelle 14 und Detektoren 16, 18 bzw. Quelle 15 und den Detektoren 17, 19 werden jeweils für jeden Sektor zwei verschiedene Spacings realisiert. Über den Sondenrechner mit Übertragungselektronik und Richtungsmodul 23, wahlweise Kompass oder Gyroskop, wird dabei die Ausrichtung der Einheiten im Bohrloch, Brunnen oder einer Grundwassermeßstelle zu geographisch Nord bestimmt. Im Sondenrechner 23 werden die Meßwerte gleichzeitig aufbereitet und mit Hilfe der Übertragungselektronik 23 werden die Meßdaten über das am Sondenkopf mit Über­ gangsstück 13 angeschlossene Bohrlochmeßkabel an die sich oberhalb des Bohr­ lochs befindende Bearbeitungsstation weitergegeben. Der Andrückmechanismus 20 drückt die Gammadetektoren 16, 17, 18, 19 mit der Bleiabschirmung 21, 22 und den Strahlenquellen 14, 15 gegen die Innenwand des Bohrlochs 24.

Claims (18)

1. Verfahren zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma- Gamma-Rückstreuprinzip in Bohrungen, Grundwassermeßstellen und Brunnen, mit Gammadetektoren (4), welche die Gamma-Rückstreustrahlung einer radioak­ tiven Gamma-Strahlenquelle (8) detektieren, gekennzeichnet durch mindestens eine Einheit aus einer Bleiabschirmung (7) mit darin angeordneter Strahlenquelle (8) und einem Austrittsfenster (6) für die Strahlung der Strahlenquelle (8) und ei­ nem Gammadetektor (4) der ebenfalls in einer Bleiabschirmung (7) mit einem Eintrittsfenster (5) für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist und mit dieser Einheit die gesamte horizontale Ebene vermessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster (5) und das Austrittsfenster (6) in einer vertikalen Ebene angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte horizontale Ebene in einzelnen Segmenten unterteilt vermessen wird und für je­ des Segment eine unabhängig registrierende Einheit aus Gammadetektor (17) und Strahlenquelle (15) verwendet wird und die Messwerte jedes Segments se­ parat erfasst und ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine um ihre vertikale Achse rotierende Einheit verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleiabschirmun­ gen (7) und der oder die Gammadetektoren (4) um ihre vertikale Achse rotieren und die Strahlenquelle (8) starr angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gamma­ detektoren (4) und die zugehörige Bleiabschirmung auf hinsichtlich der Länge va­ riabel einstellbaren und rotierenden Auslegern angeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger mit ei­ nem Andrückmechanismus (20) versehen ist, der die Gammadetektoren (16, 17, 18, 19) mit der Bleiabschirmung (21, 22) und gegebenenfalls die Strahlenquellen (14, 15) gegen die Innenwand des Bohrlochs drückt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gammadetektoren (4) oder die Einheit mit einem Orientierungssystem (2, 23) zur Bestimmung der horizontalen Lage gekoppelt sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektoren (16, 17, 18, 19) in verschiedenen Abständen zu einer oder mehreren Strahlenquellen (14, 15) angeordnet sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Gammadetektor (4) und die Strahlenquelle (8) eine gemeinsame Bleiab­ schirmung (7) verwendet wird.

11. Meßsonde zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma- Gamma-Rückstreuprinzip in Bohrungen, Grundwassermeßstellen und Brunnen, mit Gammadetektoren (4), welche die Gamma-Rückstreustrahlung einer radioak­ tiven Gamma-Strahlenquelle (8) detektieren, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde mindestens eine Einheit aus einer Bleiabschirmung (7) mit darin angeordneter Strahlenquelle (8) und einem Austrittsfenster (6) für die Strahlung der Strahlenquelle (8) und einem Gammadetektor (4) der ebenfalls in einer Blei­ abschirmung (7) mit einem Eintrittsfenster (5) für die zu messende Rückstreu­ strahlung angeordnet ist, enthält.

12. Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster (5) und das Austrittsfenster (6) in einer vertikalen Ebene angeordnet sind.

13. Meßsonde nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine um ih­ re vertikale Achse rotierende Einheit verwendet wird.

14. Meßsonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleiabschirmun­ gen (7) und der oder die Gammadetektoren (4) um ihre vertikale Achse rotieren und die Strahlenquelle (8) starr angeordnet ist.

15. Meßsonde nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammadetektoren (4) und die zugehörige Bleiabschirmung auf hinsichtlich der Länge variabel einstellbaren und rotierenden Auslegern angeordnet sind.

16. Meßsonde nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger mit ei­ nem Andrückmechanismus (20) versehen ist, der die Gammadetektoren (16, 17, 18, 19) mit der Bleiabschirmung (21, 22) und gegebenenfalls die Strahlenquelle 14, 15) gegen die Innenwand des Bohrlochs (24) drückt.

17. Meßsonde nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gammadetektoren (4) oder die Einheit mit einem Orientierungssy­ stem (2, 23) zur Bestimmung der horizontalen Lage gekoppelt sind.

18. Meßsonde nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektoren (16, 17, 18, 19) in verschiedenen Abständen zu einer oder mehreren Strahlenquellen (14, 15) angeordnet sind.