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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung
einer azimutalen Prüfung von in Bohrlöchern eingebauten
Ringraumabdichtungen auf vorhandene Hohlräume, Kanäle
und darin eventuell vorkommende vertikale Strömungen.
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Vorrichtungen
der vorstehend beschriebenen Gattung dienen zur Prüfung
und Untersuchung von Bohrlöchern, darunter Grundwassermessstellen, Brunnen
und Geothermiebohrungen. Die angewandten Verfahren lassen Rückschlüsse
auf den geologischen Aufbau (unverrohrte Bohrung) und den technischen
Ausbau einer verrohrten Bohrung zu, aber auch auf Strömungsverhältnisse
im Bereich des Ringraumes. Vor allem werden unerwünschte
Fließwege von beispielweise Wasser oder Fremdstoffen durch Abdichtmaterialien
oder zwischen Abdichtmaterial und Verrohrung, zwischen Abdichtmaterial
und Bohrlochwand oder vorhandene Hohlräume in eingebauten
Ringraumabdichtungen detektiert. Damit kann der technische Zustand
von Grundwassermessstellen, Brunnen und Geothermiebohrungen untersucht werden.
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Jeder
nicht gut abgedichtete Ringraum in Grundwassermessstellen, Brunnen
oder Geothermiebohrungen bietet viele potenzielle Fließwege
für Wasser und Fremdstoffe. Ein möglicher Fließweg kann
durch Kanäle im Abdichtungsmaterial gehen, wenn dieses
nicht exakt eingebaut wurde, geschrumpft oder nach dem Aufquellvorgang
der Dichtungspellets wieder im Ringraum abgeglitten ist. Ein weiterer
potenzieller Fließweg liegt zwischen Verrohrung und Abdichtung,
da die Verrohrungswand sehr glatt ist. Weitere Ursachen für
das Entstehen von unerwünschten Fließwegen sind
Temperaturschwankungen und Schrumpfprozesse zwischen der Aushärte-
und der Setzungsphase des Abdichtmaterials sowie eine schlechte
Anbindung zwischen Verrohrung und Abdichtmaterial. Weiterhin können
Hohlräume aus Brückenbildung beim Einbau des Abdichtungsmaterials
resultieren. Hohlräume können auch isoliert auftreten
(Nielson, D. M. und Schalla, R., 2006).
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Potenzielle
Fließwege im Ringraum können zu Störungen
führen, wie beispielsweise zur Kontamination von Grundwasserspeichern
mit Fremdstoffen und Oberflächenwasser. Die sichere Detektion von
Hohlräumen, die selbst jedoch nicht zwangsläufig
zu einer Hinterströmung führen müssen,
und vor allem von Hinterströmungen ist deshalb -sehr wichtig.
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Dazu
bietet die
DE 100
34 810 A1 ein Verfahren und eine Messsonde zur bohrlochgeophysikalischen
Messung nach dem Gamma-Rückstreuprinzip.
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Eine
Gamma-Strahlenquelle ist gemeinsam mit dem Gammadetektor in einer
Messsonde untergebracht, so dass die Rückstreustrahlung
gemessen werden kann. Durch Anordnung mehrerer Einheiten von Gamma-Strahlenquelle
und Gammadetektor auf einer Ebene kann die horizontale Ebene in
einzelne Segmente unterteilt vermessen werden, da für die Messwerte
jedes Segments Erfassung und Auswertung separat erfolgen.
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Ein
weiteres Verfahren und eine weitere Messsonde zur bohrlochphysikalischen
Messung der Dichte im das Bohrloch umgebenden Gestein beschreibt
die
DE 10 2004
024 237 A1 . Das Verfahren beruht ebenfalls auf einer Einheit
von Gamma-Strahlenquelle und Gammadetektor in der Messsonde. Auch
hier werden Bohrlocherweiterungen, z. B. Kavernen, detektiert. Die
Schrift beschreibt ein Verfahren zur bohrlochgeophysikalischen Messung
der Dichte in Bohrungen nach dem Gamma-Gamma-Rückstreuprinzip
mit Gammadetektoren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
sie den Einfluss von Kalibervergrößerungen (z.
B. Kavernen) des Bohrlochs auf die Messwerte reduziert. Weiterhin wird
die Anordnung mehrerer Detektoren in verschiedenen Abständen
zur Strahlungsquelle beschrieben.
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Die
US 5,509,474 ”Temperature
Logging for Flow Outside Casing of Wells” beschreibt ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Flüssigkeitsströmen,
jedoch mit stationären, im Ringraum eingebauten Temperatursensoren.
Dabei wird eine Vielzahl von stationären Temperatursensoren
innerhalb der Wandung in einer Ebene platziert, um Temperaturunterschiede
außerhalb der Wandung festzustellen. Über diese
Temperaturunterschiede kann auf Strömungen außerhalb
der Wandung geschlossen werden.
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Die
US 2,764,042 „Apparatus
for Determining Wall Temperature of Casing” beschreibt
eine Vorrichtung, mit der Temperaturanomalien an Brunnenwänden
festgestellt werden können. Dabei wird ein Trägermodul
aus Gummi, das einen Temperatursensor beherbergt, durch eine Andruckvorrichtung gegen
die innere Brunnenwand gedrückt. Das Trägermodul
kann im Brunnenrohr vertikal bewegt werden und in unterschiedlichen
Tiefen Messungen durchführen. Ein Azimut wird nicht ermittelt.
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Die
US 2,322,634 „Methods
and Apparatus for Logging Boreholes” beschäftigt
sich ausschließlich mit Gamma-Gamma-Messung und beschreibt ein
geophysikalisches Messsystem zur Messung der symmetrischen Zementverteilung
und gleichzeitigem Bereitstellen der Informationen über
die geologische Formationen.
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Einige
der angegebenen Lösungen ermöglichen die Untersuchung
von Bohrlöchern auf Hohlräume mittels Gamma-Strahlung
und Rückstreustrahlung, hervorgerufen durch einen Gamma-Strahler (Gamma-Gamma-Verfahren), womit
Hohlräume zu ermitteln sind. Nachteilig ist, dass die radiometrische Messung
(Gamma-Gamma-Messung) nur Fehlstellen bzw. Hohlräume im
Ringraum von Grundwassermessstellen, Brunnen bzw. Geothermiebohrungen erkennt,
die jedoch nicht zwangsläufig zu einer Hinterströmung
führen müssen. Mit einem Gamma-Gamma-Messverfahren
können keine Flüssigkeits- bzw. Gasströme
detektiert werden. Weitere Lösungen ermöglichen
die Untersuchung der Temperaturverhältnisse an der Wandung,
womit Strömungen von Flüssigkeiten zumeist ermittelbar
sind, jedoch nicht mit letzter Sicherheit. Besonders bei schwachen
Strömungen, bei denen das Fluid bereits die Temperatur
des umgebenden Gesteins angenommen hat, sind Probleme zu erwarten.
Nachteilig bei der Temperaturmessung ist weiterhin, dass keine Hohlräume,
die zum Zeitpunkt der Messung nicht von Flüssigkeiten durchströmt
werden, ermittelbar sind und keine ausreichende Sicherheit in der
Erkennung von Strömungen gewährleistet ist.
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Weitere
Nachteile und Mängel sind:
- • keine
ausreichende Genauigkeit und Auflösung zur Bestimmung von
Lage und Größe der Fehlstellen und Kanäle,
- • hoher Messaufwand durch mehrere Messvorgänge,
wenn höhere Genauigkeit gefordert ist,
- • Anpassung an große Durchmesser der Bohrung ist
nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Erfindung
derart weiterzubilden, dass sowohl Hohlräume in hoher Auflösung
und Qualität detektiert werden, ihre sichere räumliche
Lokalisierung möglich ist und Informationen zu Kanälen und
Hinterströmungen der Verrohrung geliefert werden. Das Prüfverfahren
ist damit in der Lage, sowohl Ursachen als auch bereits eingetretene
Wirkungen zu erfassen. Zudem sollen Messungen in Bohrlöchern
unterschiedlichen Durchmessers erfolgen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung
einer azimutalen Prüfung von in Bohrlöchern eingebauten
Ringraumabdichtungen auf vorhandene Hohlräume, Kanäle
und darin eventuell vorkommende vertikale Strömungen mit
einer Messsonde und einer Auswerteeinheit, wobei die Messsonde ein
Modul für Orientierung zur Erkennung der aktuellen Position
und mehr als zwei in einer Ebene verteilte Sensormodule und Andrückbügel
zur Führung der Messsonde in Bohrlöchern aufweist,
dadurch gelöst, dass
- • die
Sensormodule
– als Andrückbügel
ausgebildet sind und
– eine Strahlungsmesseinheit
mit einem zur Ermittlung der Stärke der Rückstreustrahlung
vorgesehenen Detektor für ionisierende Strahlung, einer
ionisierenden Strahlungsquelle und weiterhin
– einen
Temperatursensor aufweisen,
- • in einer vorteilhaften Ausgestaltung vier Sensormodule
zum Zweck azimutaler Messungen in einer Ebene über den
Umfang der Messsonde gleichmäßig verteilt angeordnet
sind,
- • in einer vorteilhaften Weiterbildung die ionisierende
Strahlungsquelle eine Gamma-Strahlungsquelle aus Cäsium
137 ist und als Detektor für ionisierende Strahlung ein
NaJ-Gammadetektor vorgesehen ist,
- • in einer weiteren Ausgestaltung auf einem Sensorträger
zwei NaJ-Detektoren angebracht sind, um ein langes und ein kurzes
Spacing zu erhalten,
- • in einer vorteilhaften Ausführungsform der
Temperatursensor als Widerstandsthermometer NTC ausgebildet und
von der Messsonde mittels einer PEEK- oder Teflonisolierung thermisch
isoliert ausgebildet ist,
- • in einer vorteilhaften Ausgestaltung jeweils die Strahlungsmesseinheiten
und die Temperatursensoren in einer Ebene senkrecht zum Bohrloch angeordnet
sind, so dass aus der Zuordnung der Messwerte der Messeinheiten
und Sensoren zu Azimut und Teufe ein dreidimensionaler Datensatz
resultiert,
- • das Modul für Orientierung als magnetischer Kompass
zur Erkennung der aktuellen Lage im Raum der Messsonde ausgeführt
ist,
- • das Modul für Orientierung mit einem Zweisysteminklinometer
zur Korrektur von Schichtneigungswerten bei einer abgelenkten Bohrung
ausgeführt ist,
- • in einer weiteren Ausführungsform ein Modul
für magnetische Feldstärkemessung in die Messsonde
integriert ist, das zur Detektierung und Identifizierung von wenig
bis nicht radioaktiven Verdichtungsmaterialien als Ringraumdichtung
(Tonsperre) dient.
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Ein
weiterer Aspekt der Lösung ist ein Verfahren zur azimutalen
Prüfung von in Bohrlöchern eingebauten Ringraumabdichtungen
auf vorhandene Hohlräume und Kanäle, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dadurch gelöst, dass
- • die
Messsonde kontinuierlich in eine Verrohrung gefahren wird und dass
dabei gleichzeitig über Temperatursensoren und Detektoren
für ionisierende Strahlung sowie dem Modul für
Orientierung Messwerte erfasst und an eine Auswerteeinheit übermittelt
werden und dass in der Auswerteeinheit die Messwerte von Temperatur,
ionisierender Strahlung und Orientierung in verschiedenen Tiefen
zu einem dreidimensionalen Bild der Ringraumabdichtung verarbeitet
werden,
- • die Messwerte für die natürliche
ionisierende Hintergrundstrahlung ermittelt und berücksichtigt werden,
- • die Messwerte für die ionisierende Rückstreustrahlung
ermittelt und berücksichtigt werden,
- • zu den Lagedaten im Erdmagnetfeld vier azimutal zugeordnete
Messwerte der ionisierenden Strahlung und der Temperatur zu einem
dreidimensionalen Bild der Ringraumabdichtung verarbeitet werden.
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Die
Messsonde mit dem Sensormodul detektiert Hinterströmung
durch azimutale Temperaturmessung in vier Quadranten durch mehrere
Temperatursensoren. Die Temperatursensoren sind austauschbar und
können damit unterschiedliche Temperaturbereiche abdecken.
Durch die azimutale Temperaturmessung wird die entsprechende Zuordnung der
Messdaten möglich und es erfolgt ein kombinierter Nachweis
von Defekten und Hinterströmungen in Ringraumabdichtungen.
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Zur
Orientierung im Raum wird ein magnetischer Kompass eingesetzt.
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Andrückbügel
unterschiedlicher Größe dienen der Anpassung an
verschiedene Bohrlochdurchmesser sowie dem Ausgleich der Kalibervergrößerung
im Bohrloch.
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Die
ionisierende Strahlenquelle und die NaJ-Detektoren werden zur Erreichung
einer Richtwirkung abgeschirmt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren sind folgende
Vorteile verbunden:
- • Informationen
zu Grundwassermessstellen, Brunnen und Geothermiebohrungen können
in erhöhter Qualität und Auflösung gewonnen
werden,
- • azimutale und orientierte Messung von natürlicher
Gammastrahlung, Gamma-Gamma-Dichtemessung und Temperaturmessung
mit einer Messsonde,
- • Erstellung eines dreidimensionalen Bildes der Messwerte,
- • Belastbarkeit der Messwerte wird entscheidend verbessert,
denn sie stützen sich auf zwei unterschiedliche Parameter,
- • Zu- und Abflüsse durch Kanäle im
Bereich der Messstellen werden sofort erkannt,
- • Einsatz ist auch in großen Brunnen (bis
ca. 500 mm Durchmesser) möglich,
- • Ermittlung der Messwerte erfolgt gleichzeitig, so dass
diese ohne Korrekturfaktor unmittelbar gegenübergestellt
werden können,
- • System „Grundwassermessstelle-Luftsäule-Wassersäule” wird
nur einmal pro Messvorgang gestört (Beitrag zum Ressourcenschutz),
- • Kontaminationsherde der Grundwasserressourcen durch
Messstellen werden minimiert, wenn Hinterströmungen entdeckt
und beseitigt werden,
- • Ersparnis von Zeit durch gleichzeitige Messung unterschiedlicher
Parameter,
- • gesteigerte Zuverlässigkeit, da das Prüfverfahren
sowohl die Ursachen als auch die eingetretenen Wirkungen erfasst.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1:
Hohlräume und Kanäle in Ringraumabdichtungen
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2:
Messsonde
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3:
Sensormodul
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4:
Andrückbügel
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1 zeigt
die Verhältnisse im Bohrloch 24. Die Verrohrung 15 ist
im oberen Bereich als Vollrohr ausgeführt, im unteren hingegen
als perforiertes Filterrohr in eine Schicht aus Filterkies 18 gesetzt.
Ein solcher Aufbau kann in einem Brunnen vorkommen, wobei Bodenschichten
vertikal perforiert werden, die ansonsten undurchlässig
für Fluide voneinander getrennt sind. Ziel ist es häufig,
an den Grundwasserleiter zu gelangen, von dem Wasser zu Nutzung
oder Beprobung entnommen werden soll. Dabei kann die Bohrung auch
andere wasserführende Schichten, die kontaminiertes Wasser
enthalten können, durchbrechen. Um einen Eintritt des kontaminierten
Wassers aus diesen Schichten oder von der Erdoberfläche
in die zu schützende Schicht des intakten Grundwasserspeichers
zu vermeiden, schließt sich nach oben hin die Ringraumabdichtung 19 an,
die aus Dichtungston besteht. Der Einbau des Dichtungstons erfolgt
von oben in das Bohrloch, wodurch es kompliziert ist, eine fehlerfreie
Abdichtung herzustellen. Sowohl beim Einbau als auch bei den nachfolgenden Setzungs-
und Aushärtevorgängen können verschiedene
Fehler auftreten, die zu Undichtigkeiten führen.
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In 1 sind
verschiedene Fehlstellen in der Ringraumabdichtung 19 zu
erkennen, die in Hohlräume 22 und Kanäle 14 zu
unterteilen sind. Hohlräume 22 können
innerhalb der Ringraumabdichtung 19 isoliert auftreten
oder durch Brückenbildung beim Einbau des Dichtungstones
unterhalb oder innerhalb der Ringraumabdichtung 19 entstehen,
wenn diese nicht exakt eingebaut wurde, geschrumpft oder nach dem Aufquellvorgang
der Dichtungspellets wieder im Ringraum abgeglitten ist. Weitere
Ursachen für das Entstehen von unerwünschten Fließwegen
sind Temperaturschwankungen und Schrumpfprozesse zwischen der Aushärte-
und der Setzungsphase des Abdichtmaterials sowie eine schlechte
Anbindung zwischen Verrohrung und Abdichtmaterial.
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Kanäle 14 können
innerhalb der Ringraumabdichtung 19 oder als Hinterströmungskanäle zwischen
Ringraumabdichtung 19 und Verrohrung 15 oder zwischen
Ringraumabdichtung 19 und Bohrlochwand 20 auftreten.
Ursachen hierfür sind zumeist Schrumpfungs- oder Setzungsvorgänge.
Trocknet der Dichtungston aus, schrumpft er und hinterlässt Kanäle 14.
Haftet der Dichtungston fest an der Bohrlochwand 20 und
an der Verrohrung 15, dann entsteht der Kanal 14 im
Inneren des Dichtungstons der Ringraumabdichtung 19. Anderenfalls
bilden sich die Kanäle 14 entlang der Bohrlochwand 20 oder
entlang der Verrohrung 15.
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Vor
allem im letztgenannten Fall, der am häufigsten auftritt,
aber auch bei durchflossenen Kanälen im Inneren des Dichtungstons
der Ringraumabdichtung 19 und an der Bohrlochwand 20, kann
der Kanal 14 bei ausreichend hoher Temperaturdifferenz
durch das azimutale Temperatur-Messverfahren von der Verrohrung 15 aus
detektiert werden. Über den betreffenden Quadranten kann
die Lage des Kanals 14 bestimmt werden. Da die Messungen
eine sehr hohe Sensivität aufweisen, werden bereits Temperaturdifferenzen
von einigen Hundertstel Kelvin registriert.
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Die
in 2 gezeigte Messsonde 1 weist dazu im
Ausführungsbeispiel vier um 90° versetzte Andrückbügel
auf, auf denen das Sensormodul 2 mit Temperatursensoren 9,
aber auch mit Gamma-Strahlern 11, im Ausführungsbeispiel
Cs-137-Quellen (Cäsium), und Detektoren für ionisierende
Strahlung 10, im Ausführungsbeispiel Gamma-Detektoren,
zur Messung der natürlichen und der zurückgestreuten Gammastrahlung
(Compton-Effekt) sowie der Temperatur installiert sind.
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Die
Messsonde 1 mit ihrem Sondenkörper besteht im
Ausführungsbeispiel zudem aus dem Bohrlochmesskabel 13,
dem Sondenadapter 12, der Zentrierung 5, im Ausführungsbeispiel
als Slipover-Zentrierung aus federnden Elementen ausgeführt,
die den Andrückbügeln 4 im unteren Bereich ähneln,
dem Kopplungselement 16 als Trennstelle mit Steckverbinder,
dem Modul für Orientierung 3 und dem Sensormodul 2.
Im Ausführungsbeispiel sind weiterhin eine Sondenstromversorgung,
ein Telemetriemodul, ein Sondenrechner mit CDC und ADC, Zählermodule,
eine Hochspannungsversorgung sowie Verstärker und Diskriminatoren
installiert. Weiterhin ist die Sonde über den Sondenadapter 12 und das
Bohrlochmesskabel 13 mit einer Steuer- und Auswerteeinheit
auf der Erdoberfläche verbunden, die die Verarbeitung der
im Bohrloch 24 ermittelten Daten vornimmt und das dreidimensionale
Abbild der Verhältnisse im Bohrloch 24 erstellt.
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3 stellt
einen der Andrückbügel 4 dar. Die Andrückbügel 4 sind
federnd und derart konstruiert, dass sie manuell eingestellt werden
und einen Bohrlochdurchmesser zwischen 100 mm und 500 mm vermessen
können. Die Andrückbügel 4 werden in
zwei Größen eingesetzt, wobei der erste Satz kleinerer
Andrückbügel 4 für Bohrlochdurchmessern
von 4 Zoll bis 6 Zoll (100 bis 150 mm), der zweite, größere von
6 Zoll bis 20 Zoll (150 bis 500 mm) einsetzbar ist. Beide Sätze
Andrückbügel 4 können vor Ort
leicht ausgetauscht werden. In 3 ist die
Einbaurichtung mit einem Loslager oben und einem Festlager unten dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf
diese Einbaurichtung festgelegt. Die Befestigung der Andrückbügel 4 kann
auch getauscht oder auf andere, dem Stand der Technik entsprechende Weise
gelöst sein.
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Ein
Sensormodul 2, dargestellt in 4, ist an
jedem der im Ausführungsbeispiel vier um 90° versetzten
Andrückbügel 4 angebracht und weist neben dem
Temperatursensor 9 einen zusätzliche Detektor für
ionisierende Strahlung 10, im Ausführungsbeispiel
Gamma-Detektoren, ausgeführt als NaJ-Detektoren, und eine
ionisierende Strahlungsquelle 11, im Ausführungsbeispiel
ein Gamma-Strahler, ausgeführt als Cs-137-Quelle, (Cäsium)
auf. Der Detektor für ionisierende Strahlung 10 dient
sowohl zur Messung der natürlichen Strahlung, als auch
der Messung der zudem aus dem im Bohrloch 24 und der umgebenden
natürlichen geologischen Formation 17 zurückgestreuten
Gammastrahlung gemeinsam, sofern die ionisierende Strahlungsquelle 11 als
Gamma-Strahler installiert ist. Anderenfalls wird nur die natürliche
Hintergrundstrahlung gemessen. Ziel ist es jeweils, Dichteunterschiede
zu erkennen, wodurch vor allem Hohlräume, aber auch Kanäle
ermittelt werden können. Die Anzahl der Andrückbügel 4 mit
den Sensormodulen 2 ist nicht auf vier beschränkt,
es ist vielmehr in vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung jede Anzahl von zwei oder mehr Sensormodulen 2 vorgesehen,
die die sichere Führung der Messsonde 1 im Bohrloch 24 oder in
der Verrohrung 15 ermöglicht.
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Das
Sensormodul 2 besteht neben den beschriebenen Sensoren,
dem Temperatursensor 9 und dem Detektor für ionisierende
Strahlung 10, aus der ionisierenden Strahlungsquelle 11 mit
Quellenhalter, der Abschirmung 6, dem Abstandshalter 7,
der im Ausführungsbeispiel aus Wolfram (W) oder Eisen (Fe)
besteht, sowie der Elektroniksektion 8. Die ionisierende
Strahlungsquelle 11 mit Quellenhalter ist für Messvorgänge
ohne Berücksichtigung der Rückstreustrahlung im
Ausführungsbeispiel abnehmbar gestaltet.
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Als
Temperatursensor 9 wird im Ausführungsbeispiel
ein Widerstandthermometer NTC eingesetzt, das durch eine thermische
Isolierung 21, die im Ausführungsbeispiel als
PEEK-Isolierung, in anderer Ausgestaltung als Teflonisolierung ausgeführt ist,
gegen den Körper der Messsonde 1 thermisch isoliert
ist. Der Temperatursensor 9 weist im Ausführungsbeispiel
einen Messbereich von 0° bis 30° auf, kann in
einer anderen Ausgestaltung aber auch einen erweiterten Messbereich
bis 70°C aufweisen. Der Temperatursensor 9 ist
austauschbar, wodurch hinsichtlich der Messbereiche eine hohe Flexibilität
gewährleistet ist.
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Die
Detektoren für ionisierende Strahlung 10 und die
ionisierende Strahlungsquelle 11 sind an den Seiten und
nach hinten, zur Achse der Messsonde 1 hin, abgeschirmt,
so dass bevorzugt Strahlung aus dem Ringraum und aus dem Gebirge,
der umgebenden natürlichen geologischen Formation 17,
in radialer Richtung gemessen wird. Zur Abschirmung 6 für die
ionisierende Strahlungsquelle 11 und den Detektor für
ionisierende Strahlung 10 kommt ein Abschirmungsmaterial,
das ionisierende Strahlung zu dämpfen vermag, zum Einsatz.
Im Ausführungsbeispiel wird Blei und Wolfram eingesetzt,
wobei der Abstand zwischen ionisierender Strahlungsquelle 11 und
Detektor für ionisierende Strahlung 10, als Spacing
bezeichnet, 300 mm beträgt.
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Zur
räumlichen Orientierung der Messsonde 1 im Bohrloch 24 und
zur Ermittlung von Lagedaten wird ein Modul für Orientierung 3 eingesetzt.
Es befindet sich im Ausführungsbeispiel über dem
Bereich, der die Andrückbügel 4 mit den
Sensormodulen trägt, und ist mit diesem über das
Kopplungselement 16 verbunden. Das Modul für Orientierung 3 ist
im Ausführungsbeispiel als magnetischer Kompass in den Körper
der Messsonde 1 eingebaut. In einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform wird das Modul für Orientierung 3 zusätzlich
mit dem Zweisysteminklinometer 26 versehen, wodurch die
Korrektur von Schichtneigungswerten bei einer abgelenkten Bohrung
möglich wird. Zudem wird in einer vorteilhaften Weiterentwicklung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich
eine magnetische Feldstärkemessung vorgesehen, womit die
Detektion von gering bis nicht radioaktivem Dichtungston, dem Material
für die Tonsperren, möglich wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren verknüpft zwei
unterschiedliche Messverfahren, Temperaturmessung und Messung ionisierender
Strahlung, und verläuft im Ausführungsbeispiel
wie folgt:
Bei der Anwendung ionisierender Strahlung kommen zwei
unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Neben der Messung natürlicher
Gamma-Strahlung wird unter Einsatz eines Gammastrahlers als ionisierende Strahlungsquelle
das Gamma-Gamma-Verfahren genutzt.
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Mit
dem azimutalen Temperatur-Messverfahren wird die Temperatur am inneren
Umfang einer Verrohrung 15 in 90°-Segmenten, das
heißt 360° Umfang auf vier Segmente mit je einem
Sensor verteilt, erfasst. Als azimutale Temperaturdifferenz wird jener
Unterschied bezeichnet, der zwischen den vier Messpunkten in gleicher
Höhe an einer Verrohrung 15 entsteht. Wenn sich
ein Fluid in oder an der Ringraumabdichtung 19 aus Dichtungston
befindet, kann es die Verrohrung 15 auf zwei Arten beeinflussen:
- • es kann erwärmen (zum Beispiel,
wenn warmes Wasser aus der Tiefe aufsteigt) oder
- • es kann kühlen (zum Beispiel, wenn kaltes
Wasser aus oberen Schichten absinkt).
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Diese
Temperaturanomalie in Bezug auf die Umgebungstemperatur in der jeweiligen
Teufe kann nur an der Seite der Verrohrung 15 detektiert
werden, wo sich der durchströmte Hohlraum 22 oder
der Kanal 14 befindet. Die Temperatur des Fluids, welches in
einem Kanal 14 (Channel) fließt, unterscheidet
sich vom geothermischen Gradienten oder der in dieser Tiefe vorherrschenden
Gesteinstemperatur. Wird eine höhere Temperatur gemessen,
als es der geothermische Gradient bzw. die Oberflächeneinflüsse vermuten
lassen würden, ist dieses ein Hinweis auf eine vertikale
Aufwärtsströmung. Wenn kälteres Wasser
aus dem Hangenden in den liegenden Bereich strömt, wird
das Fluid dort den Ringraum mit der Ringraumabdichtung 19 abkühlen
und einen niedrigeren Temperaturwert, ermittelt durch den Temperatursensor 9,
ergeben.
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Die
sichere Erkennung von Vertikalströmungen kann jedoch nicht
allein durch ein temperaturbasiertes Verfahren erfolgen, weil Quantität
und Temperatur der Flüssigkeit bei Hinterströmung
im Kanal 14 das verwertbare Ergebnis entscheidend bestimmen. Ist
die Strömung sehr gering und nimmt das strömende
Medium deshalb bald die Temperatur des umgebenden Materials, der
natürlichen geologischen Formation 17, an, kann
der Kanal 14 nicht eindeutig detektiert werden. Deshalb
wird die Detektion der Vertikalströmungen im hinterströmten
Kanal 14 hinter einer Verrohrung 15 methodisch
durch die Kombination einer azimutalen Temperaturmessung mit einer weiteren
Messung auf Basis ionisierender Strahlung und im Ausführungsbeispiel
mittels azimutaler Gamma- oder Gamma-Gamma-Dichtemessung realisiert.
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Durch
die Kombination der verschiedenen Messverfahren werden synergetische
Ergebnisse ermöglicht, die jedes einzelne Messverfahren
unter spezifischen Randbedingungen allein nicht zu leisten in der
Lage wäre. Ein Hohlraum kann so beschaffen sein, dass er
nicht durchströmt und daher nicht von den Temperatursensoren
erfasst wird. Andererseits können sehr enge Kanäle
nicht eindeutig als Dichteunterschied detektiert werden. Unter Auswertung
der Messergebnisse der Temperatursensoren wird jedoch eine klare
Interpretation möglich und kleine, durchströmte
Kanäle sind ermittelbar.
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Beim
Gamma-Gamma-Verfahren wird mit der Messsonde 1 eine Gamma-Strahlungsquelle
(ionisierende Strahlungsquelle 11) eingebracht und die Strahlung
im Ergebnis des Compton-Effekts, einem Wechselwirkungsprozess dieser
Strahlung mit dem Gestein, der natürlichen geologischen
Formation 17, und den Einbauten im Bohrloch 24 mit
dem Detektor für ionisierende Strahlung 10 gemessen.
Die ionisierende Strahlungsquelle 11 und der Detektor für
ionisierende Strahlung 10 bilden dabei gemeinsam die Strahlungsmesseinheit 23.
In Abhängigkeit von der Energie der Strahlung aus der Gamma-Strahlungsquelle
und der mittleren Kernladungszahl des Gebirges treten drei Wechselwirkungsprozesse
auf:
- • Photo-Effekt,
- • Compton-Effekt,
- • Paarbildungseffekt.
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Bei
der Verwendung einer Cs-137-Quelle ist der Compton-Effekt maßgebend.
Unter dem Compton-Effekt wird die Wechselwirkung einer elektromagnetischen
Strahlung mit einem (quasi-)freien Elektron verstanden. Wenn ein
Elektron von einem Gammastrahl getroffen wird, gibt dieser Strahl
einen Teil seiner Energie an das Elektron ab. Hierdurch entstehen
ein beschleunigtes Elektron und ein Gammastrahl geringerer Energie
und um einen Betrag Δλ vergrößerter
Wellenlänge. Aus dieser Wechselwirkung – ionisierende
Strahlung und Gebirge – kann auf die Dichte des Gebirges
geschlossen werden.
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Wird
auf den Einsatz eines Gammastrahlers als ionisierende Strahlungsquelle
verzichtet, beruht die Messung allein auf der Ermittlung der natürlichen ionisierenden
Hintergrundstrahlung. Dazu kommt derselbe Detektor für
ionisierende Strahlung 10 wie beim Gamma-Gamma-Verfahren
zum Einsatz. Die Ermittlung der natürlichen ionisierenden
Hintergrundstrahlung allein lässt Rückschlüsse
auf den technischen Ausbau im Bereich des Bohrloches 24 zu
und ermöglicht die Detektion von Filterkies 18 und
Ringraumabdichtung 19.
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Zur
Detektierung und Identifizierung von wenig bis nicht radioaktiven
Verdichtungsmaterialien als Ringraumdichtung (Tonsperre) dient das
Modul für magnetische Feldstärkemessung 25,
das in die Messsonde integriert ist.
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Das
Modul für Orientierung 3 ermöglicht über die
Feststellung der Position eine lokale Zuordnung der ermittelten
Messwerte. Eine erhöhte Genauigkeit, insbesondere bei abgelenkten
Bohrungen, kann durch den Einsatz des Zweisysteminklinometer 26 erreicht
werden. Damit kann nach Verarbeitung der ermittelten Daten ein dreidimensionales
Abbild der Verhältnisse im Bohrloch erzeugt werden. Dort
sind, gemäß der Aufgabe der Erfindung, Hohlräume 22 und
Kanäle 14 erkennbar und ihr genauer Ort im Bohrloch 24 oder
in der Ringraumabdichtung 19 bestimmbar.
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Im
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergibt sich folgender Einsatzbereich zur Untersuchung der Bohrlochwand 20 oder
der Ringraumabdichtung 19:
- • Teufenbereich:
bis 500 m,
- • Druckbereich: bis 50 bar,
- • Teufenauflösung: < 1 cm,
- • minimaler Durchmesser der Verrohrung 15 (oder des
Bohrlochs 24 bei dessen Prüfung ohne Verrohrung):
4 Zoll (101,6 mm),
- • maximaler Durchmesser der Verrohrung 15 (oder
des Bohrlochs 24 bei dessen Prüfung ohne Verrohrung):
20 Zoll (508 mm),
- • Temperatur: 0° bis 30° Celsius,
- • Wasserqualität: keine Einschränkungen,
- • Verrohrung 15: Kunststoff (PVC und andere), Stahl,
Keramik,
- • azimutale Messgrößen: Gamma-Strahlung, Temperatur,
- • weitere Messgrößen: Ausrichtung
im Erdmagnetfeld (Orientierung im Raum),
- • magnetische Feldstärkemessung,
- • Schichtneigungswerte bei abgelenkten Bohrungen.
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- 1
- Messsonde
- 2
- Sensormodul
- 3
- Modul
für Orientierung
- 4
- Andrückbügel
- 5
- Zentrierung
- 6
- Abschirmung
- 7
- Abstandshalter
- 8
- Elektroniksektion
- 9
- Temperatursensor
- 10
- Detektor
für ionisierende Strahlung
- 11
- ionisierende
Strahlungsquelle
- 12
- Sondenadapter
- 13
- Bohrlochmesskabel
- 14
- Kanal
- 15
- Verrohrung
- 16
- Kopplungselement
- 17
- natürliche
geologische Formation
- 18
- Filterkies
- 19
- Ringraumabdichtung
- 20
- Bohrlochwand
- 21
- thermische
Isolierung
- 22
- Hohlraum
- 23
- Strahlungsmesseinheit
- 24
- Bohrloch
- 25
- Modul
für magnetische Feldstärkemessung
- 26
- Zweisysteminklinometer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10034810
A1 [0005]
- - DE 102004024237 A1 [0007]
- - US 5509474 [0008]
- - US 2764042 [0009]
- - US 2322634 [0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Nielson, D.
M. und Schalla, R., 2006 [0003]