DE102022207531A1

DE102022207531A1 - RF-Bohrlochsondensystem und Verfahren zum Betrieb einer RF-Bohrlochsonde

Info

Publication number: DE102022207531A1
Application number: DE102022207531.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Harms; Jochem Kück; Marco Groh; Claus Bachmann; Jan Bachmann
Original assignee: HELMHOLTZ ZENTRUM POTSDAM DEUTSCHES GEOFORSCHUNGSZENTRUM GFZ STIFTUNG DES OEFFENTLICHEN RECHTS DES L; Helmholtz Zentrum Potsdam Deutsches Geoforschungszentrum Gfz Stiftung Des Oeffentlichen Rechts Des Landes Brandenburg; J&C BACHMANN GmbH
Current assignee: HELMHOLTZ-ZENTRUM POTSDAM - DEUTSCHES GEOFORSC, DE; J&c Bachmann De GmbH
Priority date: 2022-07-22
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024017997A1

Abstract

Die Erfindung betrifft RF-Bohrlochsondensystem und Verfahren zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems, umfassend mindestens- einen Sondenkörper (2),- eine Röntgenstrahlungsquelle (4), die in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist,- einen Detektor (5) für Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung, wobei der Detektor (5) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist, eine Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung der vom Detektor (5) erzeugten Ausgangssignale, wobei die Auswerteeinrichtung (8) zur Elementanalyse des bestrahlten Materials ausgebildet ist, wobei die Auswerteeinrichtung (8) zusätzlich zur Bestimmung der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials und/oder zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper (2) und einer Bohrlochwand (12) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein RF (Röntgenfluoreszenz)-Bohrlochsondensystem sowie ein Verfahren zum Betrieb einer RF-Bohrlochsonde.
Um festzustellen, ob der Abbau der Mineralien wirtschaftlich günstig ist, wird bei einer Mineralprospektion die chemische und mineralogische Zusammensetzung von Gesteinen analysiert. Hierzu kann ein Bohrloch in das Gestein gebohrt werden und eine Bohrlochsonde in dem Bohrloch auf- und abbewegt werden, wobei ein Sensor der Bohrlochsonde Signale aus der Sondenumgebung erfasst, die dann zur Erkennung und Konzentrationsmessung von vorhandenen Elementen ausgewertet werden können.
Bekannt sind Röntgenfluoreszenz-Bohrlochsonden, die eine Röntgenstrahlungsquelle und einen Detektor für Fluoreszenzstrahlung enthalten, wobei Ausgangssignale des Detektors zur erläuterten Erkennung und Konzentrationsmessung ausgewertet werden. Es ist wünschenswert, die Erkennung und Konzentrationsmessung, insbesondere deren Zuverlässigkeit und Genauigkeit, zu verbessern. Ebenfalls ist es wünschenswert, die Erkennung und Vermessung umweltfreundlich, sicher, kostengünstig und in kontinuierlicher Weise zu ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik bekannt ist die RU 169 39 92 C , die eine röntgenradiometrische Bohrlochmessung offenbart, die bei der Prospektion und Exploration von Mineralvorkommen verwendet wird. Diese Druckschrift beschreibt auch, dass ein Molybdängehalt in Gestein und Erzen bestimmt werden kann.
Weiter bekannt ist die EP 0 184 898 A1 , die eine Vermessung offenbart, bei der von einer Bohrlochumgebung und umgebenden Erdinformationen gestreute Strahlung analysiert wird, um Hinweise auf bestimmte vorgewählte Bohrloch- und Erdformationseigenschaften zu liefern. Die Druckschrift offenbart die Interpretation von Detektorsignalen, um Hinweise auf einen Werkzeugabstand zu erhalten.
Weiter bekannt ist die EP 2 223 166 A2 , die ein Werkzeug zur Verwendung in der Kohlenwasserstoffindustrie, insbesondere ein Bohrlochabbildungswerkzeug, offenbart, das einen Röntgenstrahlgenerator verwendet.
Weiter bekannt ist die CA 2 519 740 A1 , die das Bohren von Bohrlöchern und das Vermessen von Bohrlöchern offenbart. Die Druckschrift offenbart insbesondere die Abschätzung von Abständen zu Schichtgrenzen.
Die GB 2 444 801 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewerten einer Formation, die ein Bohrloch umgibt, unter Verwendung eines Röntgengenerators.
Die US 4,628,202 A offenbart eine Radioaktivitäts-Bohrlochmessung und Verfahren und Vorrichtungen zum Identifizieren der Dichte und Lithologie von unterirdischen Erdformationen. Weiter offenbart die Druckschrift die Speicherung einer sogenannten Kurzraum-Zählrate und die Speicherung eines Spektrums bzw. von Zählratenspektren.
Die WO 2021/108847 A1 offenbart ein Sprenglochvermessungssystem und ein modulares Bohrlochvermessungswerkzeug.
Es stellt sich das technische Problem, ein Bohrlochsondensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Bohrlochsonde zu schaffen, die eine zuverlässige und genaue Analyse von Gestein in der Umgebung einer Bohrlochsonde ermöglichen, wobei ein solches System insbesondere auch umweltfreundlich, sicher und kostengünstig realisiert werden kann und eine kontinuierliche Messung ermöglicht.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein RF-Bohrlochsondensystem. Das System umfasst mindestens einen Sondenkörper. Dieser kann ein Gehäuse umfassen, wobei in einem Innenvolumen des Gehäuses Komponenten des Bohrlochsondensystems angeordnet sind. Das Gehäuse kann auch als Sondenhüllrohr bezeichnet werden. Der Sondenkörper, insbesondere das Gehäuse, kann aus Metall ausgebildet sein. Der Sondenkörper kann ein unteres Ende und ein oberes Ende aufweisen. Wird die Bohrlochsonde bestimmungsgemäß in ein Bohrloch eingebracht, so ist das untere Ende des Sondenkörpers entlang der Gravitationsrichtung unterhalb des oberen Endes angeordnet. Das obere Ende bezeichnet also beim bestimmungsgemäßen Einsatz im Bohrloch das oberflächennähere Ende des Sondenkörpers. An dem oberen Ende, das auch als kabelseitiges Ende bezeichnet werden kann und entlang einer Längsachse des Sondenkörpers das dem unteren Ende entgegengesetzte Ende ist, kann der Sondenkörper eine Schnittstelle zur mechanischen Befestigung eines Kabels oder Seils umfassen, welches insbesondere dazu dient, eine Antriebskraft zur Bewegung des Sondenkörpers im Bohrloch auf diesen zu übertragen, also um den Sondenkörper im Bohrloch auf- und ab zu bewegen. Die Antriebskraft kann von einer entsprechenden Einrichtung erzeugt werden, die in der Regel außerhalb des Bohrlochs angeordnet ist. So kann ein Antriebskabel oder -seil in bekannter Weise zu einer Antriebseinrichtung, beispielsweise einer angetriebenen Seilrolle, geführt werden, um die Antriebskraft zu erzeugen. Es ist auch möglich, dass am oberen Ende eine Schnittstelle zur Signal- und/oder Datenübertragung an dem Sondenkörper angeordnet ist. Die Schnittstelle kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Steckverbindung mit einem Datenkabel, welches auch als Loggingkabel bezeichnet werden kann, zu ermöglichen. Es ist vorstellbar, dass ein solches Datenkabel auch als Antriebsseil dient bzw. ein Antriebsseil auch zur Datenübertragung. So kann ein Antriebsseil beispielsweise elektrische Adern zur Signal- und/oder Datenübertragung aufweisen Allerdings ist es auch möglich, dass ein Antriebsseil und ein Datenkabel separat voneinander ausgebildet sind. Es ist möglich, dass das Sondensystem eine Kommunikationseinrichtung umfasst, die insbesondere im Sondenkörper angeordnet ist und Signale über die Schnittstelle übertragen kann. Diese Kommunikationseinrichtung kann insbesondere eine DSL-basierte Kommunikation ermöglichen. Natürlich sind auch andere Formen/Arten der Kommunikation vorstellbar.
Weiter kann der Sondenkörper eine Schnittstelle zur Herstellung einer Energieverbindung, also einer Energieversorgung von Komponenten des Sondensystems, umfassen, wobei hierdurch z.B. auch ein Aufladen einer Energiespeichereinrichtung des Sondensystems, die im Sondenkörper angeordnet sein kann, erfolgen kann. Auch diese Schnittstelle kann am oberen Ende angeordnet sein. Das Sondensystem kann also ein batteriebetriebenes Sondensystem sein, wobei die Energiespeichereinrichtung des Sondensystems, die im Sondenkörper angeordnet sein kann, Komponenten des Sondensystems mit elektrischer Energie versorgt.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem genau eine Röntgenstrahlungsquelle oder mehrere Röntgenstrahlungsquellen, die in dem Sondenkörper angeordnet ist. Diese dient zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, die dann in eine Umgebung des Sondenkörpers emittiert wird. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle als Röntgenröhre ausgebildet, wobei ein Targetmaterial der Röntgenröhre z.B. Molybdän, aber auch Rhodium oder ein anderes, dem Fachmann bekanntes Material, sein kann. Das Targetmaterial kann insbesondere ein Anodenmaterial der Röntgenröhre sein, auf welches unter Hochspannung beschleunigte Elektronen aus einer Kathode der Röntgenröhre aufprallen. Die Funktionsweise einer Röntgenröhre ist dem Fachmann hierbei bekannt. Es ist aber auch möglich, dass die Röntgenstrahlungsquelle eine piezoeffektbasierte Röntgenstrahlungsquelle oder eine laserbasierte Röntgenstrahlungsquelle ist.
Es ist möglich, dass der Sondenkörper ein oder mehrere Röntgenstrahlungsfenster aufweist, durch den von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugte Strahlung aus dem Sondenkörper hin zu einer Umgebung austreten kann.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem einen Detektor für Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung. Die Fluoreszenzstrahlung wird von der Röntgenstrahlung angeregt, die von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugt wird. Die Streustrahlung bezeichnet hierbei den zum Detektor gestreuten Anteil der von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugten Strahlung und kann auch Gammastrahlung umfassen oder sein. Das von der Röntgenstrahlungsquelle bestrahlte Material, das unter Bestrahlung die erläuterte Fluoreszenzstrahlung emittiert und/oder Streustrahlung streut, kann das Bohrlochfluid oder das durchbohrte Gestein sein, also das Material, welches das Bohrloch umgibt. Auch der Detektor ist in dem Sondenkörper, insbesondere in dem Gehäuse, angeordnet. Es ist vorstellbar, dass die Fluoreszenzstrahlung als auch die Streustrahlung von der Umgebung durch das vorhergehend erläuterte Röntgenstrahlungsfenster in den Sondenkörper eintritt und dann von dem Detektor erfasst wird. Allerdings ist es auch möglich, dass der Sondenkörper mehrere Röntgenstrahlungsfenster umfasst, wobei z.B. ein erstes Röntgenstrahlungsfenster derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugte Strahlung in die Umgebung emittiert werden kann, während ein weiteres Röntgenstrahlungsfenster derart ausgebildet und/oder angeordnet sein kann, dass aus der Umgebung Röntgen- und/oder Streustrahlung zum Detektor gestrahlt werden kann.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der vom Detektor erzeugten Ausgangssignale, wobei die Auswerteeinrichtung zur Elementanalyse des bestrahlten Materials ausgebildet ist. Eine Auswerteeinrichtung kann hierbei als Mikrocontroller oder integrierte Schaltung ausgebildet sein oder eine(n) solche(n) umfassen. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung einen sogenannten Vielkanalanalysator umfassen. Dieser dient in bekannter Weise zur Messung einer statistisch verteilten Folge von elektrischen Impulsen wechselnder Amplitude, um deren Häufigkeitsverteilung zu ermitteln. Basierend auf den Ausgangssignalen eines solchen Vielkanalanalysators kann ein Spektrum der erfassten Strahlung bestimmt werden, z.B. in Form eines Histogramms. Auch ist es möglich, dass die Auswerteeinrichtung eine Digitalisierungseinrichtung umfasst, die die Ausgangssignale des Detektors digitalisiert, insbesondere derart, dass eine computerimplementierte Signalanalyse der erzeugten Ausgangssignale durchführbar ist. Eine solche Digitalisierungseinrichtung kann insbesondere als ADC-Wandler ausgebildet sein.
Die Auswerteeinrichtung kann weiter zur Elementanalyse ausgebildet sein, wobei diese z.B. die Elementdetektion/-identifikation und gegebenenfalls auch die Elementquantifizierung umfasst. Somit kann also eine chemische Zusammensetzung des Materials der Bohrlochwand und/oder des Bohrlochfluids erfolgen. Die Elementanalyse kann basierend auf dem Spektrum, also einem spektralen Profil, der vom Detektor detektierten Strahlung durchgeführt werden. Für die Analyse können insbesondere sogenannte Spektrallinien in einem niederenergetischen Bereich, vorzugsweise einem Bereich von 0 keV (ausschließlich) bis 45 keV (einschließlich) erfolgen. Der Bereich kann aber auch von 0 KeV (ausschließlich) bis zu einem Wert größer als 45 keV reichen. Als Spektrallinie kann ein lokales Maximum im Spektrum bezeichnet werden. Einer Spektrallinie kann eine Intensität und eine Breite zugeordnet sein. Somit kann die Spektrallinie einen (schmalen) Frequenzbereich umfassen, dessen Halbwertsbreite als Breite der Spektrallinie bezeichnet werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinrichtung zusätzlich zur Bestimmung einer spezifischen Dichte des bestrahlten Materials ausgebildet. Alternativ oder kumulativ ist die Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines Abstands zwischen dem Sondenkörper und einer Bohrlochwand ausgebildet.
Die spezifische Dichte kann aus dem spektralen Profil der detektierten Strahlung bestimmt werden, insbesondere aus einem Verlauf des Profils und/oder einer Profileigenschaft. Insbesondere kann im spektralen Profil die sogenannte Bremsstrahlung identifiziert werden, wobei die spezifische Dichte in Abhängigkeit des Verlaufs und/oder Eigenschaften, z.B. eines Intensitätsmaximums, der Bremsstrahlung bestimmt wird, insbesondere da mit der spezifischen Dichte auch das energetische Maximum der Bremsstrahlung variiert. Die Bestimmung der spezifischen Dichte kann vorzugsweise zuordnungsbasiert erfolgen. Hinzu können verschiedene spezifische Dichten verschiedenen Profilen bzw. Eigenschaften zugeordnet werden, beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung oder als Ergebnis von Vorversuchen. Diese Informationen, also Informationen über die spezifische Dichte, das Profil bzw. die Eigenschaften sowie deren Zuordnung zueinander können dann gespeichert werden, insbesondere in einer Speichereinrichtung des Sondensystems, beispielsweise in Form einer Datenbank. Dann ist es möglich, ein spektrales Profil der detektierten Strahlung, insbesondere der Bremsstrahlung, bzw. deren Eigenschaft(en) zu bestimmen und dann die spezifische Dichte als die spezifische Dichte zu bestimmen, die einem Profil bzw. Eigenschaft zugeordnet ist, das/die nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß von dem signalbasierten bestimmten Profil/Eigenschaft abweicht.
Die derart bestimmte spezifische Dichte kann dann zur Charakterisierung der Lithologie, aber auch zur Korrektur der Elementanalyse des durchbohrten Gesteins verwendet werden. Insbesondere kann ein dichtebedingter Streuungsanteil der detektierten Strahlung bei der Elementanalyse berücksichtigt werden, da sie eine spezifische Eigenschaft des bestrahlten Materials darstellt. So ändert sich die Intensität, insbesondere die spektrale Intensität, der detektierten Strahlung abhängig von der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials. So wird eine Intensität umso niedriger sein, je höher die spezifische Dichte ist. Es ist daher möglich, bei bekannter spezifischer Dichte die Intensität der detektierten Strahlung dichteabhängig zu verändern. Beispielsweise kann die Intensität für eine höhere spezifische Dichte stärker erhöht werden als für eine im Vergleich geringere spezifische Dichte. Dann kann die Elementanalyse auf Grundlage oder in Abhängigkeit der dichteabhängig korrigierten/veränderten Intensität durchgeführt werden.
Die spezifische Dichte kann auch zur Elementanalyse des Bohrlochfluids dienen, Mit anderen Worten kann also Material des Bohrlochfluids in Abhängigkeit der spezifischen Dichte bestimmt werden. Weiter kann eine hydraulische Eigenschaft oder Eigenschaftsänderung im Bohrloch, z.B. ein Zu- oder Abfluss von Bohrlochfluid, in Abhängigkeit der spezifischen Dichte bestimmt, insbesondere detektiert, werden. So ist es auch möglich, ortsreferenzierte Informationen zu Zu- oder Abflüssen im Bohrloch zu erzeugen. Eine ortsreferenzierte Information bezeichnet hierbei eine Information, der eine Ortsinformation zugeordnet ist. Die Ortsinformation kann hierbei in bekannter Weise bestimmt werden, z.B. als Tiefeninformation, wobei diese z.B. sensorgestützt bestimmt werden kann. So kann die Tiefeninformation z.B. abhängig von einer Position-/Winkelerfassungseinrichtung einer Seil-/Kabelgebereinrichtung bestimmt werden, die die Länge des Seils/Kabels im Bohrloch und somit die Tiefe einstellt. Auch ist vorstellbar, dass ein Beschleunigungssensor zur Positionsbestimmung genutzt wird. Auch kann eine Tiefeninformation mit einem Drucksensor bestimmt werden, wobei die Tiefe in Abhängigkeit eines erfassten Drucks bestimmt wird.
Der Abstand kann in Abhängigkeit einer Höhe, also einer Linienintensität, von genau einer oder von mehreren charakteristischen, insbesondere anodenmaterialspezifischen, Spektrallinien im spektralen Profil der detektierten Strahlung bestimmt werden. So kann z.B. die Linienintensität an einer oder an mehreren vorbestimmten, insbesondere anodenmaterial- und somit strahlungsquellenspezifischen, Frequenzen oder Frequenzbereichen bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit von dieser/diesen Linienintensitäten dann der Abstand bestimmt wird.
Auch diese Bestimmung kann zuordnungsbasiert erfolgen, wobei, z.B. in einem Kalibrierverfahren oder in entsprechenden Vorversuchen, verschiedene Abstände zu verschiedenen Höhen charakteristischer Spektrallinien zugeordnet werden. Hierbei kann angenommen werden, dass für verschiedene Abstände verschiedene Höhen detektierbar sind. Alternativ kann der Abstand auch triangulationsbasiert bestimmt werden. Hierbei kann ein in Abhängigkeit eines vorbestimmten oder bestimmbaren Einstrahlwinkels der emittierten Röntgenstrahlung auf die Bohrlochwand und einer Position eines von der reflektierten Strahlung erzeugten Intensitätsmaximums in einer Detektorfläche der Abstand von der Bohrlochwand bestimmt werden. Entsprechende Triangulationsverfahren sind dem Fachmann hierbei bekannt. Ebenfalls wird beschrieben, dass eine Abstandsmessung mechanisch erfolgen kann, beispielsweise über geeignete Messeinrichtungen, beispielsweise über einen Messdorn, wozu das System solche Messeinrichtungen umfassen kann. Diese können insbesondere in oder an dem Gehäuse angeordnet sein. Eine solche Abstandsmessung kann z.B. zusätzlich erfolgen und zur Korrektur oder Verbesserung der Abstandsmessung verwendet werden.
Der Abstand kann ebenfalls zur Korrektur der fluoreszenzbasierten Elementanalyse genutzt werden, insbesondere indem eine abstandsbedingte Streuung und Dämpfung der Strahlung berücksichtigt werden kann. Insbesondere kann diese abstandsbedingte Streuung und Dämpfung kompensiert oder herausgerechnet werden. So ändert sich die Intensität, insbesondere die spektrale Intensität, der detektierten Strahlung abhängig von dem Abstand. So wird eine Intensität umso niedriger sein, je höher der Abstand ist. Es ist daher möglich, bei bekanntem Abstand die Intensität der detektierten Strahlung abstandsabhängig zu verändern. Beispielsweise kann die Intensität für einen größeren Abstand stärker erhöht werden als für einen im Vergleich geringeren Abstand. Dann kann die Elementanalyse auf Grundlage oder in Abhängigkeit der abstandsabhängig korrigierten/veränderten Intensität durchgeführt werden.
Auch ist es möglich, basierend auf Abstandsinformationen zu klassifizieren, ob die ausgewertete Strahlung nur oder hauptsächlich aus dem Gestein stammt (was bei Abständen, die kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert sind, angenommen werden kann) oder ob die ausgewertete Strahlung auch mit einem zu berücksichtigendem Anteil aus dem Bohrlochfluid stammt (was bei Abständen, die größer als der oder gleich dem vorbestimmte/n Schwellwert sind, angenommen werden kann). Die vorgeschlagene Abstandsmessung ermöglicht eine Genauigkeit im Bereich kleiner als 1 mm.
Die Abstandsbestimmung kann auch zur Detektion von Ausbrüchen im Bohrloch und/oder zur Erstellung eines Bohrlochprofils dienen. Beispielsweise kann eine ortsreferenzierte Lokalisierung von Ausbrüchen im Bohrloch und damit eine Bohrlochvolumenbestimmung erfolgen.
Auch ermöglicht die Abstandsbestimmung, Teilspektren zu bilden und aus diesen ein Gesamtspektrum für die Elementanalyse zu bilden. Beispielsweise kann während einer Bewegung des Sondenkörpers im Bohrloch, insbesondere während einer Auf- oder Abwärtsbewegung als auch bei einer Seitwärtsbewegung, wiederholt, insbesondere periodisch, weiter insbesondere mit einer Frequenz von z.B. 1/ms, ein Spektrum bestimmt werden, wobei dem Spektrum ein Abstandswert zugeordnet werden kann. Dieses Spektrum kann dann als Teilspektrum bezeichnet werden. Dann kann aus allen Spektren, die insbesondere in einem vorbestimmten Zeitraum und/oder in einem vorbestimmten Positionsbereich erzeugt wurden und denen der gleiche Abstandswerte zugeordnet ist oder deren zugeordnete Abstandswerte nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen, ein resultierendes abstandsspezifisches Spektrum bestimmt werden, z.B. durch eine geeignete Mittelung oder Fusionierung. Das derart resultierende abstandsspezifische Spektrum, insbesondere die Intensitäten im Spektrum, kann dann, wie vorhergehend erläutert, abstandsabhängig korrigiert werden. Dann kann aus allen abstandskorrigierten resultierenden Spektren ein gesamtresultierendes Spektrum bestimmt werden, z.B. durch eine geeignete Mittelung oder Fusionierung, wobei dann das gesamtresultierende Spektrum zur Elementanalyse verwendet werden kann.
Die Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands kann ortsreferenziert erfolgen. Werden auch die Ausgangssignale ortsreferenziert bestimmt, so kann also die spezifische Dichte und/oder der Abstand, insbesondere bei einer nachträglichen Auswertung oder einer Auswertung off site, z.B. in einem Labor, ortsabhängig bei der Elementanalyse berücksichtigt werden.
Somit ermöglicht das vorgeschlagene Bohrlochsondensystem in vorteilhafter Weise eine genaue und zuverlässige Elementanalyse, insbesondere eine genaue und zuverlässige Elementidentifikation und Konzentrationsbestimmung. Durch die Auswertung der Ausgangssignale des Detektors zur Bestimmung der Dichte und/oder des Abstands kann diese Verbesserung auch bei einer kontinuierlichen Vermessung ermöglicht werden. Gleichzeitig wird eine sichere und umweltfreundliche Bestimmung ermöglicht. Auch kann eine ortsreferenzierte Elementanalyse erfolgen.
Es ist weiter möglich, dass der Sondenkörper mindestens ein Dezentriermittel umfasst oder ausbildet, das eine dezentrale Anordnung des Sondenkörpers im Bohrloch gewährleistet. Beispielsweise kann das Sondensystem, insbesondere der Sondenkörper, mindestens einen Federarm aufweisen oder ausbilden, der derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass ein Sondenkörper, der in ein Bohrloch eingebracht ist, von dem mindestens einen Federarm an die Bohrlochwand gedrückt wird und somit dezentral im Bohrloch angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung in dem Sondenkörper, insbesondere in dem Gehäuse des Sondenkörpers, angeordnet. In diesem Fall erfolgt die Auswertung also in dem Sondenkörper. Somit wird eine RF-Bohrlochsonde beschrieben, die den Sondenkörper, die Röntgenstrahlungsquelle, den Detektor sowie die Auswerteeinrichtung umfasst. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genaue und zuverlässige Signalauswertung, insbesondere zur Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands, da Ausgangssignale der Detektoreinrichtung nicht zu einer Auswerteeinrichtung außerhalb des Sondenkörpers übertragen werden müssen, wodurch Übertragungsverluste reduziert und somit eine Signalqualität erhalten werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens eine Hochspannungsquelle zur Energieversorgung der Strahlungsquelle, wobei die Hochspannungsquelle in dem Sondenkörper angeordnet ist. Die Hochspannungsquelle kann Betriebsspannungen für die Strahlungsquelle bis zu 50 kV oder sogar Betriebsspannungen größer als 50 kV erzeugen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass keine Mittel zur Übertragung der Betriebsspannung von einer Spannungsquelle außerhalb des Sondenkörpers zur Strahlungsquelle im Sondenkörper erfolgen muss, was wiederum einen einfachen Betrieb des Bohrlochsondensystems ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Hochspannungsquelle entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers näher an einem oberen Ende des Sondenkörpers als die Strahlungsquelle und/oder als der Detektor und/oder als die Auswerteeinrichtung angeordnet. Hierdurch wird eine effiziente Kühlung der Hochspannungsquelle ermöglicht und insbesondere die thermische Belastung für den Detektor und/oder die Auswerteeinrichtung reduziert. Dies ist insbesondere der Fall, da von der Strahlungsquelle und/oder der Hochspannungsquelle erzeugte thermische Energie beim bestimmungsgemäßen Betrieb durch Konvektion nach oben abgeführt wird. Insgesamt verbessert sich somit also die Zuverlässigkeit des Betriebs des vorgeschlagenen Bohrlochsondensystems in vorteilhafter Weise.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Signalen, insbesondere den vorhergehend erläuterten Impulsen, die vom Detektor registriert werden. Insbesondere können diese Signale zeitreferenziert gespeichert werden. Somit kann z.B. gespeichert werden, welches Signal/welcher Impuls zu welchem Zeitpunkt detektiert wurde. Auch ist es möglich, dass ein Energieniveau, beispielsweise in keV, des registrierten Signals gespeichert wird. Auch die Speichereinrichtung ist im Sondenkörper angeordnet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Registrierung von (Röntgen)Photonen und insbesondere der von diesen im Detektor ausgelösten Signaländerungen, z.B. in Form von Spannungsimpulsen. Diesen Signaländerungen kann z.B. ein Zeitstempel zugeordnet werden, der ebenfalls gespeichert wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine spätere Auswertung, beispielsweise eine Auswertung off site, also außerhalb des Bohrlochs, vereinfacht. Durch die Speicherung von zusätzlichen Informationen ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch bei einer gestörten oder unterbrochenen Datenverbindung zu einem späteren Zeitpunkt Daten ausgewertet und insbesondere einer Ortsinformation zugeordnet werden können.
Die beschriebene Speichereinrichtung oder eine weitere Speichereinrichtung kann (auch) zur Speicherung von durch die Auswerteeinrichtung verarbeiteten Daten oder Datensätzen dienen, wobei eine weitere Speichereinrichtung ebenfalls im Sondenkörper angeordnet sein kann. Beispielsweise kann somit ein Spektrum oder ein Teil davon gespeichert werden, welches durch Auswertung der detektierten Signale bestimmt wurde. Auch ist es möglich, die erläuterte spezifische Dichte und/oder den Abstand zu speichern. Dies kann insbesondere ortsreferenziert erfolgen, wobei den entsprechenden Informationen eine Ortsinformation, beispielsweise eine räumliche Position, insbesondere eine Tiefeninformation, zugeordnet werden und ebenfalls gespeichert werden kann. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, dass ein Element identifiziert und/oder eine Elementkonzentration bestimmt und entsprechende Elementinformationen gespeichert werden. Die derart gespeicherten Informationen können von den Speichereinrichtungen in den Sondenkörper insbesondere über die erläuterte Daten- und/oder Signalschnittstelle an ein externes System übertragen werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens ein Röntgenstrahlungsfenster, welches in einer Außenwand des Sondenkörpers angeordnet ist. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Das Röntgenstrahlungsfenster ist aus einem für Röntgenstrahlung transmissiven Material ausgebildet. Ein solches Material kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, PP, PEEK, TPU, Borsilikat oder Diamant oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Materialien sein. Auch ist es möglich, dass das Material eine Kombination von einem der angeführten Materialien mit mindestens einem weiteren, nicht explizit angeführten Material ist. Weiter weist das Röntgenstrahlungsfenster eine hydrophobe äußere Oberfläche auf oder ist mit einer hydrophoben Schicht beschichtet. Die Beschichtung kann eine Nanobeschichtung sein. Insbesondere kann also die Oberfläche einen Lotos-Effekt bereitstellen, wodurch diese äußere Oberfläche nur in einem sehr geringen Maß durch Flüssigkeiten benetzbar ist. Hierzu kann die mikro- und nanoskopische Architektur der Oberfläche entsprechend ausgebildet sein. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die Emission von Röntgenstrahlung aus dem Sondenkörper heraus möglichst wenig von Flüssigkeiten beeinflusst wird, wodurch sich wiederum eine Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Elementanalyse verbessern.
Alternativ oder kumulativ zur hydrophoben äußeren Oberfläche ist die äußere Oberfläche des Röntgenstrahlungsfensters mit einem Aerogelmaterial beschichtet. Die Beschichtung mit dem Aerogelmaterial kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass ein Aerogelkissen auf das Röntgenstrahlungsfenster aufgeklebt oder anderweitig daran befestigt ist. Eine Dicke der Beschichtung kann bis zu 1 mm betragen. Ein Aerogel kann hierbei einen offenporigen, nanostrukturierten Werkstoff bezeichnen. Insbesondere kann ein hydrophobes Aerogelmaterial zur Beschichtung genutzt werden. Es ist möglich, dass ein vorbestimmter Prozentsatz des Volumens des Aerogelmaterials, beispielsweise bis zu 95 %, aus Poren besteht. Bevorzugt ist das Aerogelmaterial ein Material auf Silikatbasis. Auch hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine geringe Beeinflussung der aus dem Sondenkörper emittierten Strahlung.
Weiter alternativ oder kumulativ ist das Röntgenstrahlungsfenster durch eine Stützstruktur stabilisiert. Die Stützstruktur kann wabenartig sein und/oder Stützstege umfassen, wobei eine mechanische Festigkeit oder mechanische Steifigkeit des Röntgenstrahlungsfensters mit der Stützstruktur größer ist als des Röntgenstrahlungsfensters ohne Stützstruktur. Auch kann eine mechanische Festigkeit oder mechanische Steifigkeit der Stützstruktur größer sein als das verbleibende Fenstermaterial. Auch das Material der Stützstruktur kann hierbei für Röntgenstrahlung transmissiv sein. Es ist möglich, dass die Stützstruktur aus dem gleichen Material wie das verbleibende Fenstermaterial ausgebildet ist, wobei jedoch die Stützstruktur andere mechanische Eigenschaften als das verbleibende Material aufweisen kann. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hohe Stabilität des Röntgenstrahlungsfensters und somit hohe Betriebssicherheit beim Betrieb des Bohrlochsondensystems.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens einen Gasauslass, wobei der Gasauslass derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass ein Gasvorhang oder Gaskissen vor dem Röntgenstrahlungsfenster durch den Auslass von Gas aus dem Gasauslass erzeugbar ist. Das Gas kann insbesondere Luft oder ein inertes Gas sein. Der Auslass kann derart angeordnet sein, dass Gas beim bestimmungsgemäßen Einsatz/Einbringen der Sonde in ein Bohrloch an dem Röntgenstrahlungsfenster vorbeiströmt. Beispielsweise kann der Auslass entlang der zentralen Längsachse des Sondenkörpers näher an einem unteren Ende des Sondenkörpers als das Röntgenstrahlungsfenster angeordnet sein. In diesem Fall kann ausströmendes Gas am Röntgenstrahlungsfenster aufgrund des Auftriebs vorbeiströmen. Auch hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass aus dem Sondenkörper von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung möglichst wenig von Bohrlochmaterial beeinflusst wird.
Es ist weiter möglich, dass das Bohrlochsondensystem, insbesondere der Sondenkörper, eine Rückhalteeinrichtung aufweist oder ausbildet, die eine Zeitdauer bis zum Entweichen des Gases aus einem Raumvolumen vor dem Röntgenstrahlungsfenster im Vergleich zu einer Ausbildung ohne Rückhalteeinrichtung verlängert. Eine solche Rückhalteeinrichtung kann beispielsweise als von einer Außenseite des Sondenkörpers abstehende Struktur ausgebildet sein.
Umfasst das Bohrlochsondensystem einen Gasauslass, so ist es möglich, dass das vorgeschlagene System auch mindestens eine weitere pneumatische Einrichtung, beispielsweise eine Pumpe und/oder einen Gasspeicher, umfasst, wobei diese(r) mit dem Gasauslass pneumatisch verbunden sein kann/können. Auch die weitere pneumatische Einrichtung kann im Sondengehäuse angeordnet sein.
Es ist weiter möglich, dass das Bohrlochsondensystem eine Einrichtung zur Erzeugung von Gas aus dem Bohrlochfluid umfasst. Diese Einrichtung kann ebenfalls im Sondenkörper angeordnet sein und fluidtechnisch mit dem Gasauslass verbunden sein. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Bauraumbedarf reduziert werden kann, da kein Gasspeicher zum Versorgen des Gasauslasses benötigt wird, sondern Gas direkt aus dem Bohrlochfluid erzeugt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist das RF-Bohrlochsondensystem, insbesondere der Sondenkörper, mindestens ein Bürstenelement zur Reinigung der Bohrlochwand auf oder bildet dieses aus. Ein solches Bürstenelement kann insbesondere zum Abkratzen oder Abschaben des sogenannten Filterkuchens dienen und ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zuverlässigere und genauere Elementanalyse des Gesteins, da das Bohrlochmaterial die Signalerzeugung nicht oder in einem geringeren Maße beeinflusst.
Dies gilt insbesondere auch für eine elektrische, akustische oder optische Vermessung des Gesteins.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Bürstenelement bewegbar relativ zum Sondenkörper angeordnet. Beispielsweise kann das Bürstenelement beweglich am/im Sondenkörper gelagert sein. Es ist möglich, dass das Bürstenelement ein angetriebenes Bürstenelement ist, beispielsweise eine rotierendes oder linearbewegliches Bürstenelement. Eine entsprechende Antriebseinrichtung kann hierbei Teil des Bohrlochsondensystems sein und insbesondere im Sondenkörper angeordnet sein. Alternativ ist das Bürstenelement ortsfest relativ zum Sondenkörper angeordnet. In diesem Fall kann es z.B. mechanisch starr am Gehäuse angeordnet sein.
Alternativ oder kumulativ ist das mindestens eine Bürstenelement entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers näher an einem oberen Ende oder näher an einem unteren Ende des Sondenkörpers als ein Röntgenstrahlungsfenster im Sondenkörper angeordnet. Bevorzugt ist das Bürstenelement am unteren Ende des Sondenkörpers angeordnet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Entfernung des erläuterten Filterkuchens bevor das Röntgenstrahlungsfenster bei einer Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung an der derart gereinigten Stelle der Bohrlochwand vorbeigeführt wird, wodurch die aus dem Sondenkörper emittierte Strahlung möglichst wenig durch den Filterkuchen beeinflusst wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor zur hyperspektralen Materialanalyse. Die Lichtquelle kann insbesondere eine Infrarotlichtquelle und der Lichtdetektor ein Infrarotlichtdetektor sein. Die Wellenlänge der Infrarotstrahlung kann im Bereich von 400 nm bis 2000 nm liegen. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung oder eine weitere Auswerteeinrichtung des Bohrlochsondensystems zur hyperspektralen Materialanalyse ausgebildet sein. Hierdurch kann zusätzlich zur RF-basierten Elementanalyse auch eine Mineralanalyse erfolgen. Es ist vorstellbar, dass das von der Lichtquelle erzeugte Licht durch ein Fenster des Sondenkörpers aus diesem hinaus gestrahlt wird, welches vom Röntgenstrahlungsfenster verschieden ist. Dieses Fenster kann insbesondere ein Acrylglasfenster und näher an dem unteren Ende des Sondenkörpers als das Röntgenstrahlungsfenster angeordnet sein.
Alternativ oder kumulativ umfasst das Bohrlochsondensystem mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle und mindestens einen Detektor für die gestreute monochromatische Strahlung zur Raman-spektroskopischen Materialanalyse. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung oder eine weitere Auswerteeinrichtung des Bohrlochsondensystems zur Raman-spektroskopischen Materialanalyse ausgebildet sein. Es ist vorstellbar, dass die von der monochromatischen Strahlungsquelle erzeugte Strahlung durch ein Fenster des Sondenkörpers aus diesem hinaus gestrahlt wird, welches vom Röntgenstrahlungsfenster verschieden ist.
Weiter alternativ oder kumulativ umfasst das Bohrlochsondensystem mindestens eine optische Strahlungsquelle, die Strahlung mit Wellenlängen des Hyperspektralspektrums, vorzugsweise mit einem Wellenlängen aus einem Spektrum von 350 bis 800 nm, emittiert und mindestens einen Detektor für die gestreute von der optischen Strahlungsquelle erzeugten Strahlung zur Materialanalyse basierend auf optischer Fluoreszenz. Die spektrale Auflösung kann im Bereich von nm liegen, z.B. im Bereich von 3 nm bis 10 nm. In dieser Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung oder eine weitere Auswerteeinrichtung des Bohrlochsondensystems zur Materialanalyse basierend auf optischer Fluoreszenz ausgebildet sein. Es ist vorstellbar, dass die von der optischen Strahlungsquelle erzeugte Strahlung durch ein Fenster des Sondenkörpers aus diesem hinaus gestrahlt wird, welches vom Röntgenstrahlungsfenster verschieden ist.
Die durch den mindestens einen erläuterten Detektor erzeugten Ausgangssignale und/oder die von einer Auswerteeinrichtung durch Materialanalyse erzeugten Informationen können hierbei in der genannten Speichereinrichtung oder einer weiteren Speichereinrichtung des Bohrlochsondensystems gespeichert werden, insbesondere in orts- und/oder zeitreferenzierter Weise, z.B. um eine Auswertung off site, z.B. im Labor, zu ermöglichen.
Es ist auch möglich, dass die durch die erläuterte Materialanalyse erzeugten Informationen und die durch die Elementanalyse basierend auf der erläuterten Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung bestimmten Elementinformationen in einander zugeordneter Weise gespeichert werden.
Weiter kann das vorgeschlagene Bohrlochsondensystem mindestens einen Lüfter umfassen, der insbesondere im Sondenkörper angeordnet sein kann. Der Lüfter kann hierbei unter oder über einer Leiterplatte angeordnet sein, wobei die Auswerteeinrichtung auf der Leiterplatte angeordnet ist.
Weiter ist es möglich, dass das Bohrlochsondensystem einen Kühlbehälter umfasst oder ausbildet, der insbesondere im Sondenkörper angeordnet sein kann. Dieser Kühlbehälter kann insbesondere an einem unteren Ende des Sondenkörpers angeordnet sein. Der Kühlbehälter dient zur Aufnahme eines Kühlmaterials, beispielsweise Eis. Weiter kann der Kühlbehälterteil eines Kühlsystems des Bohrlochsondensystems, insbesondere des Sondenkörpers, sein. Das Kühlsystem kann mindestens einen Kühlfinger umfassen, der beispielsweise thermisch mit dem Kühlbehälter, insbesondere mit dem Kühlmaterial im Kühlbehälter, verbunden ist. Der Kühlfinger kann zur Kühlung der Luft im Sondenkörper dienen. Hierdurch kann das Bohrlochsondensystem auch bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden und eine zuverlässige und genaue Materialanalyse ermöglichen.
Weiter ist es möglich, dass Bohrlochsondensystem mindestens einen Lüfter umfasst, wobei dieser insbesondere in dem Sondenkörper angeordnet sein kann. Der mindestens eine Lüfter ist hierbei derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass eine Trägerplatine und darauf/daran angeordnete Bauteile, z.B. die Auswerteeinrichtung und/oder die Speichereinrichtung, zur Kühlung von einem Luftstrom angeströmt werden können, der vom Lüfter erzeugt wird. Insbesondere kann ein oder können mehrere Lüfter derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass ein zirkulärer Luftstrom um die Trägerplatine herum, also auch oberhalb und unterhalb der Trägerplatine, erzeugt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bohrlochsondensystem einen Wassersensor zur Detektion eines im Wasser befindlichen Zustands des Sondenkörpers. Dieser Wassersensor kann beispielsweise ein erstes Ausgangssignal erzeugen, wenn sich der Sondenkörper unter Wasser und weiteres Ausgangssignal erzeugen, wenn sich der Sondenkörper nicht unter Wasser befindet. Wird das erste Ausgangssignal erzeugt, so kann beispielsweise ein Gasauslass aus der vorhergehend erläuterten Auslassöffnung aktiviert werden. Auch kann eine Auswertung an einen Unterwasserzustand angepasst werden.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genauere und zuverlässigere Materialanalyse beim Einsatz des Bohrlochsondensystems unter Wasser.
Es ist möglich, dass alle Komponenten im Sondengehäuse mit einer vorbestimmten räumlichen Relativanordnung zueinander angeordnet sind, die dann bei der Auswertung, insbesondere bei der Element- und Mineralanalyse berücksichtigt werden kann.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird in Abhängigkeit der vom Detektor erzeugten Ausgangssignale eine spezifische Dichte des bestrahlten Materials und/oder ein Abstand zwischen dem Sondenkörper und einer Bohrlochwand bestimmt. Dies und entsprechende technische Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert. Selbstverständlich kann zusätzlich zur Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands auch eine Elementanalyse, insbesondere die erläuterte Elementidentifikation und Konzentrationsbestimmung, in Abhängigkeit der vom Detektor erzeugten Ausgangssignale erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Elementanalyse zur Berücksichtigung bzw. in Abhängigkeit der spezifischen Dichte und/oder des Abstands durchgeführt. Wie vorhergehend bereits erläutert können sich die spezifische Dichte und/oder der Abstand auf das spektrale Profil der vom Detektor empfangenen Strahlung auswirken. Ist die spezifische Dichte und/oder der Abstand bekannt, so kann das spektrale Profil korrigiert werden, wodurch wiederum eine genauere und zuverlässige Elementanalyse ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden Ausgangssignale des Detektors, insbesondere in zeitreferenzierter Weise, gespeichert. Dies und entsprechende technische Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert.
In einer weiteren Ausführungsform wird Strahlung einer Strahlungsquelle des Bohrlochsondensystems erzeugt, welche von der Röntgenstrahlungsquelle verschieden ist. Diese Strahlung wird emittiert. Die Strahlung kann, wie vorhergehend erläutert, Infrarotstrahlung, monochromatische Strahlung oder eine optische Strahlung sein. Die gestreute Strahlung kann detektiert und in Abhängigkeit der detektierten Strahlung eine Materialanalyse durchgeführt werden. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bohrlochsondensystem,
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bohrlochsondensystem in einer weiteren Ausführungsform,
3 einen schematischen Querschnitt durch einen Sondenkörper im Bereich der Röntgenstrahlungsquelle,
4 einen weiteren schematischen Querschnitt durch einen Sondenkörper im Bereich der Röntgenstrahlungsquelle,
5 einen schematischen Querschnitt durch eine Sondenhalterung,
6 eine perspektivische Ansicht eines Bürstenelements,
7 einen weiteren schematischen Längsschnitt durch einen Sondenkörper im Bereich eines Röntgenstrahlungsfensters,
8 eine perspektivische Ansicht eines Röntgenstrahlungsfensters,
9 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bohrlochsondensystems in einer weiteren Ausführungsform und
10 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Bohrlochsondensystems.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Sondenkörper 2 eines erfindungsgemäßen RF-Bohrlochsondensystems 1. Der Sondenkörper 2 umfasst ein Sondenhüllrohr 3 und ein Röntgenstrahlungsfenster 19, welches im Sondenhüllrohr 3 angeordnet ist und eine Transmission von Röntgenstrahlung aus dem Inneren des Sondenhüllrohrs 3 heraus in die Umgebung als auch die Transmission von Röntgen- und/oder Streustrahlung aus der Umgebung in das Innere des Sondenhüllrohrs 3 hinein zulässt. Das Bohrlochsondensystem 1 umfasst weiter eine Röntgenstrahlungsquelle 4, die in dem Sondenkörper 2, insbesondere dem Sondenhüllrohr 3, angeordnet ist und einen Detektor 5, der ebenfalls in dem Sondenkörper 2 angeordnet ist und zur Detektion von Fluoreszenzstrahlung, die von emittierter Röntgenstrahlung angeregt wird, und/oder von der Umgebung gestreuten Röntgenstrahlung (Streustrahlung) ausgebildet ist, wobei die emittierte Strahlung von der Röntgenstrahlungsquelle 4 erzeugt wird. Mit anderen Worten erzeugt die Röntgenstrahlungsquelle 4 die Röntgenstrahlung und emittiert diese in eine Umgebung des Sondenkörpers 2, insbesondere in ein Bohrlochfluid 6 und in das durchbohrte Gestein 7 (siehe 3). In einem trockenen Bohrloch wird die Strahlung in die Luft im Bohrloch emittiert. In dem Bohrlochfluid 6 bzw. der Luft und/oder dem Gestein 7 wird dann Fluoreszenzstrahlung angeregt und/oder die emittierte Röntgenstrahlung gestreut und zurück zum Sondenkörper 3 gestrahlt, wobei diese Strahlung dann durch den Detektor 5 detektiert wird. Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem 1 eine Auswerteeinrichtung 8, die ebenfalls in dem Sondenkörper 2 angeordnet ist. Weiter dargestellt ist eine Speichereinrichtung 9, die ebenfalls im Sondenkörper 3 angeordnet und datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung 8 verbunden ist.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem eine Hochspannungsquelle 10, die eine Betriebsspannung für die Röntgenstrahlungsquelle 4, die insbesondere als Röntgenröhre, vorzugsweise als Molybdän-Röntgenröhre, ausgebildet sein kann, erzeugt bzw. bereitstellt.
Das Bohrlochsondensystem umfasst ebenfalls Bürstenelemente 11, die an einer Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 angeordnet sind und zur Reinigung der Bohrlochwand 12 (siehe 3) dienen.
In 1 ist ein unteres Ende 13 und ein oberes Ende 14 des Sondenkörpers 2 dargestellt, wobei das obere Ende 14 bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz des Sondenkörpers 2 im Bohrloch 15 (siehe z.B. 9) das oberflächennähere Ende des Sondenkörpers 2 ist. Am oberen Ende 14 des Sondenkörpers 2 ist eine Schnittstelle 16 zur mechanischen Befestigung eines Haltekabels 17 (siehe ebenfalls 9) und zur Herstellung einer Signalverbindung mit einem externen System, z.B. zum Anschluss eines sogenannten Loggingkabels, angeordnet. Es ist möglich, dass das Haltekabel 17 elektrische Adern aufweist, die zur Signalübertragung geeignet sind, wodurch das Haltekabel 17 das erwähnte Loggingkabel bildet. In 1 ist dargestellt, dass die Röntgenstrahlungsquelle 10 entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers 2 näher am oberen Ende 14 des Sondenkörpers a2 als die Strahlungsquelle 4, der Detektor 5 und die Auswerteinrichtung 8 angeordnet ist.
Die Auswerteeinrichtung 8, die einen Mikrocontroller oder eine integrierte Schaltung umfassen oder als solche(r) ausgebildet sein kann, kann die vom Detektor 5 erzeugten Ausgangssignale auswerten. Durch die Auswertung kann insbesondere ein Spektrum der vom Detektor 5 empfangenen Strahlung bestimmt werden. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung einen Vielkanalanalysator umfassen. Weiter kann die Auswerteeinrichtung 8, insbesondere basierend auf dem Spektrum und dessen Eigenschaften, eine Elementanalyse des bestrahlten Materials durchführen. Insbesondere kann die Auswerteinrichtung 8 ein Element identifizieren und dessen Konzentration im bestrahlten Material bestimmen.
Zusätzlich ist die Auswerteeinrichtung 8 zur Bestimmung der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials ausgebildet. Alternativ oder kumulativ ist die Auswerteeinrichtung 8 zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper 2 und der Bohrlochwand 12 ausgebildet. Die erläuterte Elementanalyse kann hierbei in Abhängigkeit der mit der Auswerteeinrichtung 8 bestimmten spezifischen Dichte und/oder in Abhängigkeit des mit der Auswerteeinrichtung 8 bestimmten Abstands durchgeführt werden. Die Speichereinrichtung 9 dient zur Speicherung der vom Detektor 5 registrieren Signale, insbesondere in zeitreferenzierter Weise. Auch kann die Speichereinrichtung 9 oder eine weitere, nicht dargestellte Speichereinrichtung zur Speicherung von bereits durch die Auswerteeinrichtung 8 verarbeiteten Daten oder Datensätzen dienen.
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Sondenkörper 2 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das Bohrlochsondensystem 1, insbesondere der Sondenkörper 2, Federelemente 18 zur Dezentrierung des Sondenkörpers 2 in einem Bohrloch 15. Die Federelemente 18 sind in der in 2 dargestellten Ausführungsform als Bogenfederelemente ausgebildet, wobei die beiden Enden eines Federelements 18 an der Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 befestigt. Weiter stehen die Bogenfederelemente 18 von der Außenseite ab. Bei der Einbringung in ein Bohrloch 15 (siehe 9) pressen die Federelemente 18 den Sondenkörper 2 an die Bohrlochwand 12. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass möglichst wenig Bohrlochfluid 6 zwischen dem Röntgenstrahlungsfenster 19 und der Bohrlochwand 12 angeordnet ist. Hierzu sind die Federelemente 18 an einem Teilbereich der Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 angeordnet, der den Bereich mit dem Röntgenstrahlungsfenster 19 gegenüberliegt.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich des Sondenkörpers 2. Dargestellt ist eine Röntgenröhre 20, die Röntgenstrahlung durch eine Schlitzblende 21 und durch ein Röntgenfenster 19 aus dem Sondenkörper 2 hinaus emittiert. Durch eine Strichlinie eingefasst ist ein Primärstrahlengang 25 einer emittierten Röntgenstrahlung dargestellt. Weiter dargestellt ist ein Detektor 4 sowie ein durch eine Strichpunktlinie eingefasster Erfassungsbereich des Detektors 4. Dieser empfängt von außen in den Sondenkörper 2 durch das Röntgenstrahlungsfenster 19 eintretende Strahlung, insbesondere die Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung, die im bestrahlten Material durch die von der Strahlungsquelle 5 erzeugte Röntgenstrahlung angeregt wird.
Weiter dargestellt ist das durchbohrte Gestein 7 und ein Bohrlochfluid 6, welches zwischen dem Sondenkörper 2 und der von dem durchbohrten Gestein 7 gebildeten Bohrlochwand 12 angeordnet ist. Weiter dargestellt ist eine Schirmplatte 22, die zwischen der Röntgenröhre 20 und dem Detektor 4 angeordnet ist und verhindert, dass von der Röntgenröhre 20 emittierte Strahlung vom Detektor 4 empfangen wird. Es ist möglich, dass die Röntgenröhre 20 und der Detektor 4 entlang einer Querachse des Sondenkörpers 2, die z.B. senkrecht zu der Zeichenebene orientiert sein kann, versetzt zueinander angeordnet sind. Somit können auch Erfassungsbereiche entlang dieser Querachse versetzt zueinander angeordnet sein.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Sondenkörper 2 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist wiederum die Röntgenröhre 20, die z.B. als Seitfensterröhre ausgebildet sein kann. Eine Anode der Röntgenröhre kann hierbei mit einem Referenz- oder Massepotential verbunden sein, welches z.B. das Potential des Sondenhüllrohrs 3 sein kann. Eine Kathode kann mit einer Hochspannungsquelle 10 verbunden sein. Weiter dargestellt ist eine Schnittstelle 23 zur Steuerung einer Hochspannungsquelle 10, die einen Glasfaserkabelanschluss und einen Anschluss zur elektrischen Versorgung der Hochspannungsquelle 10 bereitstellen kann. Diese ist über einen Kabelkanal 24 mit der Hochspannungsquelle 10 verbunden. In dem Kabelkanal 24 kann auch eine Trägerplatine der Schnittstelle 23 angeordnet sein. Weiter dargestellt ist die Schlitzblende 21, die beispielsweise aus Molybdän ausgebildet sein kann. Schematisch dargestellt ist ein Strahlengang 25 von der Röntgenröhre 20 erzeugten Röntgenstrahlung. Weiter dargestellt ist ein Glimmerröhrchen 26, in dem die Röntgenröhre 20 angeordnet ist und welches zur elektrischen Isolation komplett vergossen ist.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Schnittstelle 16, welche am oberen Ende eines Sondenkörpers 2 (siehe z.B. 1) angeordnet sein kann. Die Schnittstelle 16 umfasst eine 4-polige Anschlusseinrichtung 27. Diese ist in einer von der Schnittstelle 16 ausgebildeten Durchgangsöffnung 28 angeordnet. Weiter dargestellt ist, dass die 4-polige Anschlusseinrichtung 27 über einen Dichtring 29 und ein Distanzstück 30 mit einem Außengewindeelement 31 verbunden ist. Das Außengewindeelement 31 kann in ein in der Durchgangsöffnung 28 angeordnetes Innengewinde der Schnittstelle 16 eingeschraubt werden. Ferner dargestellt sind Außengewindeabschnitte 32, 33 der Schnittstelle 16, wobei ein erstes Außengewinde 32 zum Anschluss eines Halte- und Loggingkabels 17 (siehe 9) dient und ein zweites Außengewinde 33 zum Einschrauben der Schnittstelle 16 in den Sondenkörper 2. Die Schnittstelle 16 kann aus Titan ausgebildet sein.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bürstenelements 11. Dieses Bürstenelement 11 weist an einer äußeren Oberfläche Nuten 34 bzw. Einkerbungen auf, deren zentrale Mittelachsen schräg zu einer zentralen Längsachse des Bürstenelements 11 orientiert ist. Gleitet dieses Bürstenelement 11 an einer Bohrlochwand 12 (siehe z.B. 3) entlang, so kann von der Bohrlochwand 12 abgekratztes Material in den Nuten 34 eintreten und entlang den Nuten 34 transportiert werden.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil des Sondenkörpers 2 im Bereich des Röntgenstrahlungsfensters 19. Dargestellt ist ein Gasauslasselement 35, das mit einem Gasspeicher 36, der im Sondenkörper 2 angeordnet ist, fluidtechnisch verbunden ist. Der Gasauslass 35 ist hierbei, rein exemplarisch, an einer Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 angeordnet. Wird der Gasauslass 35 fluidtechnisch mit dem Gasspeicher 36 verbunden und mit Gas beaufschlagt, so erzeugt der Gasauslass 35 einen Gasvorhang oder ein Gaskissen vor dem Röntgenstrahlungsfenster 19, insbesondere vor einer Außenseite des Röntgenstrahlungsfensters 19.
Alternativ oder kumulativ kann zur Bereitstellung eines solchen Gasvorhangs oder Gaskissens kann das Röntgenstrahlungsfenster 19 eine hydrophobe äußere Oberfläche aufweisen oder ausbilden oder mit einer hydrophoben Schicht beschichtet sein. Weiter alternativ oder kumulativ kann das Röntgenstrahlungsfenster 19, insbesondere eine äußere Oberfläche, mit einem Aerogelmaterial beschichtet sein.
8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Röntgenstrahlungsfensters 19, das aus einem für Röntgenstrahlung transmissiven Material ausgebildet ist. Dargestellt sind Schrauben 37 zur mechanischen Verbindung des Röntgenstrahlungsfensters 19 mit dem Sondenkörper 2 dargestellt. Schematisch dargestellt sind auch Stützgitterelemente 38, die eine mechanische Stabilität des Röntgenstrahlungsfensters 19 verbessern.
9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen RF-Bohrlochsondensystems 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist ein Sondenkörper 2, der eine nicht dargestellte Röntgenstrahlungsquelle 4 und einen ebenfalls nicht dargestellten Detektor 5 (siehe 1) umfassen kann. Der Sondenkörper 2, insbesondere die im Sondenkörper 2 angeordneten Komponenten, ist über ein Loggingkabel 17, welches gleichzeitig ein Haltekabel des Sondenkörpers 2 bildet, mit einem externen System 39 verbunden. Dieses externe System 39 umfasst beispielsweise eine Antriebseinrichtung zur Übertragung einer Zugkraft auf das Halte- und Loggingkabel 17. Weiter kann das externe System eine Auswerteeinrichtung 8 umfassen, die daten- und/oder signaltechnisch über das Halte- und Loggingkabel 17 mit z.B. dem Detektor 5 des Sondenkörpers 2 verbunden ist. Diese Auswerteeinrichtung 8 kann zur vorhergehend erläuterten Elementanalyse sowie zur Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper 2 und der Bohrlochwand 11 ausgebildet sein.
11 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems 1 gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird in einem ersten Schritt S1 von einer Röntgenstrahlungsquelle 4 (siehe z.B. 1) Röntgenstrahlung erzeugt und aus dem Sondenkörper 2 herausemittiert. In einem zweiten Schritt S2 wird die von dieser emittierten Strahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung und/oder die erläuterte Streustrahlung mit einem Detektor 5 detektiert. In einem dritten Schritt S3 werden die vom Detektor 5 bei Empfang dieser Strahlung erzeugten Ausgangssignale von einer Auswerteeinrichtung 8 ausgewertet. Im dritten Schritt S3 wird von der Auswerteeinrichtung 8 auch eine spezifische Dichte des bestrahlten Materials bestimmt. Alternativ oder kumulativ wird ein Abstand zwischen dem Sondenkörper 2 und der Bohrlochwand 12 bestimmt. In Abhängigkeit der spezifischen Dichte und/oder des Abstands wird dann eine Elementanalyse des bestrahlten Materials der Auswerteeinrichtung oder von einem übergeordneten System durchgeführt. Zeitgleich zur oder nach der Auswertung können vom Detektor 5 erzeugten Ausgangssignale gespeichert werden, insbesondere in zeitreferenzierter Weise. Weiter ist es möglich, dass durch die Auswertung erzeugte Informationen ebenfalls gespeichert werden.
Bezugszeichenliste

1: RF-Bohrlochsondensystem
2: Sondenkörper
3: Sondenhüllrohr
4: Röntgenstrahlungsquelle
5: Detektor
6: Bohrlochfluid
7: Gestein
8: Auswerteeinrichtung
9: Speichereinrichtung
10: Hochspannungsquelle
11: Bürstenelement
12: Bohrlochwand
13: unteres Ende
14: oberes Ende
15: Bohrloch
16: Schnittstelle
17: Halte- und Loggingkabel
18: Federelement
19: Röntgenstrahlungsfenster
20: Röntgenröhre
21: Schlitzblende
22: Schirmplatte
23: Schnittstelle
24: Kabelkanal
25: Ausgang
26: Glimmerröhre
27: Anschlusseinrichtung
28: Durchgangsöffnung
29: Dichtelement
30: Abstandselement
31: Außengewindeelement
32: Außengewinde
33: Außengewinde
34: Nut
35: Gasauslass
36: Gasspeicher
37: Schraube
38: Stützsteg
39: externes System
S1: erster Schritt
S2: zweiter Schritt
S3: dritter Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

RU 1693992 C [0004]
EP 0184898 A1 [0005]
EP 2223166 A2 [0006]
CA 2519740 A1 [0007]
GB 2444801 A [0008]
US 4628202 A [0009]
WO 2021/108847 A1 [0010]

Claims

RF-Bohrlochsondensystem, umfassend mindestens - einen Sondenkörper (2), - mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle (4), die in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist, - einen Detektor (5) für Fluoreszenz- und Streustrahlung, wobei der Detektor (5) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist, - eine Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung der vom Detektor (5) erzeugten Ausgangssignale, wobei die Auswerteeinrichtung (8) zur Elementanalyse des bestrahlten Materials ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) zusätzlich zur Bestimmung der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials und/oder zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper (2) und einer Bohrlochwand (12) ausgebildet ist.
RF-Bohrlochsondensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass RF-Bohrlochsondensystem (1) mindestens eine Hochspannungsquelle (10) zur Energieversorgung der Röntgenstrahlungsquelle (4) umfasst, wobei die Hochspannungsquelle (10) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist.
RF-Bohrlochensondensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsquelle (10) entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers (2) näher an einem oberen Ende (14) des Sondenkörpers (2) als die Röntgenstrahlungsquelle (4) und/oder als der Detektor (5) und/oder als die Auswerteeinrichtung (8) angeordnet ist.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochsondensystem (1) eine Speichereinrichtung (9) zur Speicherung der vom Detektor (5) registrierten Signalen, insbesondere von zeitreferenzierten Signalen, umfasst, wobei die Speichereinrichtung (9) im Sondenkörper (2) angeordnet ist.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) mindestens ein Röntgenstrahlungsfenster (19) umfasst, welches in einer Außenwand des Sondenkörpers (2) angeordnet ist, wobei das Röntgenstrahlungsfenster (19) - Aus einem für Röntgenstrahlung transmissiven Material ausgebildet ist und/oder - eine hydrophobe äußere Oberfläche aufweist oder mit einer hydrophoben Schicht beschichtet ist und/oder - mit einem Aerogelmaterial beschichtet ist und/oder - durch eine Stützstruktur stabilisiert ist.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) mindestens einen Gasauslass (35) umfasst, dessen Anordnung bei Gaszufuhr einen Gasvorhang oder ein Gaskissen vor dem Röntgenstrahlungsfenster (19) realisiert.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) mindestens ein Bürstenelement zur Reinigung der Bohrlochwand aufweist oder ausbildet.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bürstenelement (11) - bewegbar oder ortsfest relativ zum Sondenkörper (2) angeordnet ist und/oder - entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers (2) näher an einem oberen Ende (14) oder näher an einem unteren Ende (13) des Sondenkörpers (2) als ein Röntgenstrahlungsfenster (19) im Sondenkörper (2) angeordnet ist.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochsondensystem (1) - mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor zur hyperspektralen Materialanalyse und/oder - mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle und mindestens einen Detektor für die gestreute monochromatische Strahlung zur Raman-spektroskopischen Materialanalyse - mindestens eine optische Strahlungsquelle und mindestens einen Detektor für die gestreute monochromatische Strahlung zur Materialanalyse basierend auf optischer Fluoreszenz umfasst.
RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) einen Wassersensor zur Detektion eines im Wasser befindlichen Zustands des Sondenkörpers (2) umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems (1) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der vom Detektor (5) erzeugten Ausgangssignale eine spezifische Dichte des bestrahlten Materials und/oder ein Abstand zwischen dem Sondenkörper (2) und einer Bohrlochwand (12) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elementanalyse unter Berücksichtigung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangssignale des Detektors (5), insbesondere zeitreferenzierte Ausgangssignale, gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Infrarotstrahlung erzeugt und emittiert wird, wobei gestreute Infrarotstrahlung detektiert und in Abhängigkeit der detektierten Strahlung eine Mineralanalyse durchgeführt wird und/oder wobei monochromatische Strahlung erzeugt und emittiert wird, wobei die gestreute monochromatische Strahlung detektiert und in Abhängigkeit der detektierten Strahlung eine Materialanalyse durchgeführt wird.