DE10034810B4

DE10034810B4 - Messsonde zur bohrlochgeophysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip

Info

Publication number: DE10034810B4
Application number: DE2000134810
Authority: DE
Inventors: Karsten Baumann
Original assignee: BOHRLOCHMESSUNG STORKOW GmbH; BOHRLOCHMESSUNG-STORKOW GmbH
Current assignee: BOHRLOCHMESSUNG-STORKOW GMBH, 15859 STORKOW, DE
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: DE10034810A1

Abstract

Messsonde zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip in Bohrungen, Grundwassermessstellen und Brunnen, mit mindestens einem Gammadetektor (4), welcher die Gamma-Rückstreustrahlung einer radioaktiven Gamma-Strahlenquelle (8) detektiert, wobei die Messsonde mindestens eine Einheit enthält, bestehend aus einer gemeinsamen Bleiabschirmung (7) für den oder die Gammadetektoren (4) und die Strahlenquelle (8) und aus der in der Bleiabschirmung (7) angeordneten Strahlenquelle (8) und einem Austrittsfenster (6) für die Strahlung der Strahlenquelle (8) und aus dem mindestens einen Gammadetektor (4), der ebenfalls in der Bleiabschirmung (7) mit einem Eintrittsfenster (5) für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist, wobei die Bleiabschirmung (7) und der oder die Gammadetektoren (4) um ihre vertikale Achse rotieren und die Strahlenquelle (8) starr angeordnet ist, so dass mit dieser Einheit eine gesamte horizontale Ebene vermessbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messsonde 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.
Bekannte Bohrlochgeophysikalische Lösungen zur Messung der Dichte erfassen die Dichte häufig nicht richtungsorientiert. Bohrlochgeophysikalische Messsonden zur Dichtemessung 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 filied 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; Density 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 Anordnungen wird über so genannte Dichtekalibrierungen die Dichte des Gebirges in einer sich zufällig ergebenden horizontalen Richtung bestimmt, ohne dass unterschieden werden kann, ob es Dichteunterschiede in unterschiedlichen azimutalen Richtungen gibt.
Aus der US 4,228,350 A ist eine Anordnung mit einer Messsonde bekannt, mittels welcher Messungen in azimutal unterschiedlichen Richtungen dadurch ermöglicht sind, dass ein Strahlendetektor von einer Abschirmung umgeben ist, welche ein schlitzförmiges Strahleneintrittsfenster aufweist und in einer Rotationsbewegung um den Detektor herumgeführt wird. Hierdurch kann mittels des Detektors aus azimutal unterschiedlichen Richtungen eintretende Strahlung detektiert und ausgewertet werden. Als Strahlenquelle wird eine Neutronenquelle verwendet. Die Neutronenquelle strahlt über den gesamten Umfang eines Bohrlochs, in welches die Messsonde eingebracht ist, allseitig ab. Sie ist lediglich zur Verhinderung direkter Einstrahlung in den Detektor in vertikaler Richtung gegen den Detektor abgeschirmt. Mittels der allseitig abstrahlenden Strahlenquelle wird die Umgebung um das Bohrloch herum über einen längeren Zeitraum hinweg aktiviert. Danach wird der Detektor bezüglich der vertikalen Richtung auf die ursprünglich von der Strahlenquelle eingenommene Position verfahren und die entsprechende horizontale Ebene von dem Detektor mit Hilfe des in einer Rotationsbewegung um ihn herumgeführten Strahleneintrittsfenster seiner Abschirmung azimutal differenziert vermessen. Durch dabei gegebenenfalls festgestellte Inhomogenitäten der von der zuvor aktivierten Umgebung empfangenen Strahlung kann auf eventuelle Fließbewegungen innerhalb der betreffenden Ebene geschlussfolgert werden. Eine azimutal differenzierte Dichtemessung des das Bohrloch umgebenden Erdreichs nach dem Rückstreuprinzip ist mit der beschriebenen Anordnung jedoch nicht ermöglicht. 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 Filterkuchens auf die Dichtebestimmung nach der Gamma-Gamma-Methode. Aus der US 5,001,342 A ist es bekannt, die Materialdichte des Gebirges in mehreren Bereichen um die Sonde herum zu bestimmen. Dazu sind entsprechend einer in der Schrift dargestellten Ausführungsform auf dem Sondenumfang vier in einem Winkel von jeweils 90° gegeneinander versetzt angeordnete Detektoren angeordnet, welche die von der Bohrlochwand reflektierte Strahlung einer Neutronen-Quelle oder einer Gammastrahlungsquelle erfassen. Durch die Mehrzahl von Detektoren ist dabei jedoch ein erhöhter Aufwand gegeben, welcher sich im Falle des Erfordernisses einer noch stärkeren azimutalen Differenzierung der aufgenommenen Messwerte noch weiter erhöht. Zudem ist die mögliche Anzahl von Detektoren im Hinblick auf den an der Sonde zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt, so dass bezüglich des Azimuts nur eine vergleichbar geringe Messwertauflösung erhältlich ist. Zum Beispiel durch die US 5,091,644 A ist es bekannt, dass es möglich ist, bezogen auf den Umfang eines Bohrlochs mehrere Messwerte zu erhalten, sofern die Messsonde innerhalb eins Bohrgestänges angeordnet ist und sich mit diesem um die eigene vertikale Achse dreht. Bei einer so genannten Messung während des Bohren (MWD – Measurement While Drilling) werden demgemäß während eines Umlaufs der Sonde mittels eines Detektors vier Messwerte erfasst. Gemäß der genannten Schrift dient dies zu Ermittlung einer mittleren Dichte in einer horizontalen Ebene. Allerdings würde es einen erheblichen Aufwand bedeuten, bei einer vom Bohrvorgang unabhängigen Messung, das heißt wenn die Sonde nicht ohnehin Teil eines rotierenden Systems ist, wiederholt die gesamte Sonde um eine vertikale Achse zu drehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messsonde zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip so zu verbessern, dass mit ihr Dichteunterschiede im das Bohrloch umgebenden Material bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau und einfacher Handhabung der Messsonde richtungsselektiv mit nahezu beliebiger Auflösung gemessen werden können.
Die zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Messsonde enthält mindestens eine Einheit, welche besteht aus einer gemeinsamen Bleiabschirmung für den oder die Gammadetektoren und die Strahlungsquelle, aus der darin angeordneten Strahlenquelle und einem Austrittsfenster für die Strahlung der Strahlenquelle und aus mindestens einem Gammadetektor, der ebenfalls in der Bleiabschirmung mit einem Eintrittsfenster für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist.
Erfindungsgemäß rotieren die Bleiabschirmungen und der oder die Gammadetektoren um ihre vertikale Achse und die Strahlenquelle ist starr angeordnet, so dass mit dieser Einheit eine gesamte horizontale Ebene vermessen wird. Vorzugsweise sind das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster in einer vertikalen Ebene angeordnet. Gemäß einer sinnvollen Weiterbildung sind der oder die Gammadetektoren oder die Einheit mit einem Orientierungssystem zur Bestimmung der Lage zu geographisch Nord oder relativ zu einem Bezugspunkt gekoppelt. In bevorzugter Ausführungsform sind mehrere Detektoren in verschiedenen Abständen 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 Messsonde 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. Vorteilhafterweise erfassen der oder die Gammadetektoren durch Abschirmungen nur azimutal einfallende Gammastrahlen, wobei die Form und die Größe des erfassten 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 einer radioaktiven Gammastrahlenquelle angeordnet, um damit gleichzeitig verschiedene Spacings zu erreichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Gammadetektoren und zwei radioaktive Quellen vorgesehen, die gegeneinander abgeschirmt sind.
Sinnvollerweise bestehen die Abschirmungen aus Blei, oder einem anderen, die Gammastrahlung absorbierenden Material.
Wie bereits dargestellt, verfügt die Messsonde vorzugsweise über ein System zur Erfassung der Messrichtung der Gammadetektoren oder ist mit einem solchen so verbunden, dass jedem Messpunkt gleichzeitig eine Richtung, absolut zu geographisch Nord oder relativ zu einem Punkt, zugeordnet werden kann. Die Messsonde (nachfolgend auch Ringraumscanner genannt) verfügt vorzugsweise ferner über mehrere voneinander unabhängig registrierende Gammastrahlendetektoren und radioaktive Quellen, die voneinander durch Gammastrahlen 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 Gammastrahlung richtungsselektiv messen und dabei einen Vollkreis von 360° in mehreren Sektoren vollständig oder unvollständig abdecken. Durch das bei der geophysikalischen Bohrlochmessung übliche Ab- oder Ausfahren der Messsonde am Bohrlochmesskabel, werden die Messwerte mittels der erfindungsgemäßen Messsonde spiralförmig über die gesamte Bohrung, die Grundwassermessstellen oder den Brunnen erfasst.
Eine besondere Bedeutung erfährt diese Messsonde beim Nachweis einer ringsum homogenen Abdichtung von Ringräumen (Raum zwischen den Brunnenrohren und der Außenwand der Brunnenbohrung) bei Brunnen und Grundwassermessstellen.
1: zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sonde mit rotierender Abschirmung, in die gleichzeitig eine Gamma-Strahlenquelle eingefasst ist.
2: zeigt ein Messbeispiel des Ringraumscanners
1 zeigt eine Messsonde bei der die Bleiabschirmung 7, angetrieben durch einen Schrittmotor 3 um ihre Längsachse rotiert. In die Bleiabschirmung 7 ist ein Quellenkanal 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 Gyroskap, 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 Übergangsstück 1 angeschlossene Bohrlochmesskabel an die sich oberhalb des Bohrlochs befindende Bearbeitungsstation weitergegeben. 2 zeigt ein Messbeispiel des Ringraumscanners mit einer Messsonde der unter 1 beschriebenen Art. Die Messung wurde in einem Brunnen ausgeführt, dessen Ringraum (Raum zwischen den Brunnenrohren und der Außenwand der Brunnenbohrung) mit den üblichen Materialien (Kies, Sand, Ton) verfüllt wurde. Die Aufgabe bestand darin, den Nachweis darüber zu erbringen, dass der Ringraum rundum homogen verfüllt wurde. Hierzu wurden die gemessenen Dichtewerte entsprechend einer 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 Bereiche) feststellen.

Claims

Messsonde zur bohrlochphysikalischen Messung der Dichte nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip in Bohrungen, Grundwassermessstellen und Brunnen, mit mindestens einem Gammadetektor (4), welcher die Gamma-Rückstreustrahlung einer radioaktiven Gamma-Strahlenquelle (8) detektiert, wobei die Messsonde mindestens eine Einheit enthält, bestehend aus einer gemeinsamen Bleiabschirmung (7) für den oder die Gammadetektoren (4) und die Strahlenquelle (8) und aus der in der Bleiabschirmung (7) angeordneten Strahlenquelle (8) und einem Austrittsfenster (6) für die Strahlung der Strahlenquelle (8) und aus dem mindestens einen Gammadetektor (4), der ebenfalls in der Bleiabschirmung (7) mit einem Eintrittsfenster (5) für die zu messende Rückstreustrahlung angeordnet ist, wobei die Bleiabschirmung (7) und der oder die Gammadetektoren (4) um ihre vertikale Achse rotieren und die Strahlenquelle (8) starr angeordnet ist, so dass mit dieser Einheit eine gesamte horizontale Ebene vermessbar ist.
Messsonde nach Anspruch 1, wobei das Eintrittsfenster (5) und das Austrittsfenster (6) in einer vertikalen Ebene angeordnet sind.
Messsonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bleiabschirmung (7) und der oder die Gammadetektoren (4) angetrieben durch einen Schrittmotor (3) der Messsonde um ihre vertikale Achse bewegbar sind.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der oder die Gammadetektoren (4) oder die Einheit mit einem Orientierungssystem (2) zur Bestimmung der horizontalen Lage gekoppelt ist oder sind.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mehrere Detektoren (4) in verschiedenen Abständen zu einer oder mehreren Strahlenquellen (8) angeordnet sind.