DE1085978B

DE1085978B - Vorrichtung zum Messen der Dichte von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen

Info

Publication number: DE1085978B
Application number: DESCH18213A
Authority: DE
Inventors: Frank F Johnson; Jay Tittman
Original assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Current assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Priority date: 1954-07-02
Filing date: 1955-06-25
Publication date: 1960-07-28

Description

Vorrichtung zum Messen der Dichte von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Dichte von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen, ausgestattet mit einem durch das Bohrloch hindurchbewegten Gehäuse, von dem ein Teil seiner Oberfläche an der Innenwand des Bohrlochs anliegt, ferner mit einer Gammastrahlenquelle zur Bestrahlung der Erdformation durch ein Oberflächenstück des Gehäuses, mit einer Detektoreinrichtung, die auf die aus der Erdformation durch die mit der Bohrlochwandung in Anlage stehende Fläche zurückkehrende Gammastrahlung anspricht, und mit einer Abschirmvorrichtung für die Gammastrahlen. die von dein Oberflächenstück des Gehäuses ausgeht und sowohl Quelle wie Detektoreinrichtung teilweise umschließt. jedoch Teile des Raumes zwtschen einerseits der Quelle und der Detektoreinrichtung, andererseits dem Oberflächenstück des Gehäuses frei läßt.
Die Kenntnis der Dichte der Erdformationen ermöglicht, wertvolle Folgerungen zu ziehen. Sind z. B. die Korndichte uttd die Flüssigkeitsdichte in den Zwischenräumen einer Formation bekannt, können Dichtemessungen unmittelbaren Aufschluß über die gesamte Porosität geben, was nützliche Hinweise für die Abschätzung der Vorratsmengen von Kohlenwasserstoffverbindungen in der untersuchten Formation liefert. Ferner erlaul>t die Kenntnis von Untergrunddichteii eine verhesserte Auslegung seismischer Vermessungen sowie auch eine verbesserte Auslegung von Gravitationsmessungen.
Die Erfindung bezweckt die Erzielung einer große ren Genauigkeit. als mit den bisher bekannten Vor richtungen möglich war.
I)er Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlenquelle Teilchen mit niedriger Energie von weniger als 1 Million Elektronenvolt emittiert.
Es ist bekannt, daß die Absorptionskoeffizienten für Gammastrahlen bei geringer Strahlungsenergie höher sind. Infolgedessen werden bei einer Stralllungsquelle niedriger Energie verhältnismäßig niedrige Zählgeschwindigkeiten erwartet. Bei niedrigen Zählgeschwindigkeiten ist jedoch die statische Unsicherheit unerwünscht hoch. Dieser Erscheinung kann dadurch begegnet werden, daß die Intensität der Quelle erhöht oder die Geschwindigkeit, mit welcher sich das in das Bohrloch abgesenkte Instrument bewegt, verringert wird. Keine dieser Maßnahmen ist erwünscht, da eine Zunahme in der Intensität der Strahlenquelle eine größere Gefährdung bedeutet. während eine Verminderung in der Untersuchungsgeschwindigkeit die Leerzeit eines sehr teuren Bohrverfahrens erhöht.
Demgegenüber beruht vorliegende Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei einer niedrigen Zählgeschwindigkeit mit einer Quelle von niedriger Energie noch eine weitere, ganz unerwartete Wirkung eintritt. Bei Verwendung einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Gammastrahlenquelle, deren Energie kleiner ist als 1 MeV, tritt eine verhältnismäßig große Änderung in der Zählgeschwindigkeit schon bei verhältnismäßig geringen Dichteänderungen auf. Infolgedessen beeinflussen geringe Unsicherheiten, die durch statische Schwankungen, Rauschen oder sonstige störende Faktoren verursacht sind, die Dichtemessungen nicht erheblich. Die Messungen zeichnen sich somit durch eine wesentlich verbesserte Genauigkeit aus, und es besteht eine bemerkenswerte Zunahme in der Möglichkeit. zwischen zwei Formationett naltezu gleicher Dichte zu unterscheideti.
Bekannte Einrichtungen zu Dichtemessungen mit Gammastrahlenquellen hohen Energieniveaus oberhalb einer Million Elektronenvolt und im Abstand dazu befindlichen Detektorsystemen besitzen demgegenüber eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Dichteänderungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der zwischen einerseits der Ouclle und der Detektoreinrichtung und andererseits dem Oberflächenstück des Gehäuses liegende Raum ein Abschirmsystem, das nur für solche Gammastrahlen durchlässig ist, die rechtwinklig durch das Oberflächen stück des Gehäuses hilldurcllgehell.
Hierbei kann vorteilhaft das Abschirmsystem die Form eines Gitters mit parallel laufenden Durchlaßschlitzen aufweisen.
Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, und zwar zeigen Fig. 1A und 1B den oberen und unteren Teil einer gemäß der Erfindung gebauten Bohrschacht-Untersuchungsvorrichtung in wirksamer Stellung in einem Bohrloch, wobei gewisse Einzelheiten der Fig. 1A nur schematisch wiedergegeben sind; Fig. 2 zeigt ettie vergrößerte Darstellung des Teiles der Fig. 1 B. der durch das gestrichelte Rechteck 2 umrahmt ist, im Längsschnitt; Fig. 3 ist eine schaubildliche Darstellung eitles Teiles der in Fig. 2 veranschaulichten Einrichtung; Fig. 4 bis 8 sind graphische Darstellungen zur Erklärung verschiedener Charakteristiken der Erfindung; Fig. - und 10 sind Abwandlungen der Einrichtung nach Fig. 2; Fig. 11 und 12 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 13 ist eine graphische Darstellung, welche eine typische Eichkurve für die Einrichtung nach Fig. 1 und 2 veranschaulicht.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besitzt ein Gehäuse 10, das an einem armierten Kabel 11 in einem die Erdformationen 13 durchteufelldell Bohrloch 12 aufgehängt ist. Der Bohrschacht ist mit einer Bohrflüssigkeit 14, etwa einem Schlamm auf Wasser- oder Ölgrundlage, gefüllt. Das Kabel 11 wird durch eine (nicht dargestellte) Winde mit dem Gehäuse 10 in das Bohrloch in üblicher Weise heruntergelassen und aus ihin herausgehoben. Das Gehäuse 10 ist von ültlicher druckfester Bauart, um die verschiedenen elektronischen Stromkreise gegen den Bohrschlamm 14 zu schützen. Das untere Ende des Gehäuses 10 ist mit eilllm aus Fig. 113 ersichtlichen abgebogenen rohrförmigen Träger 15 verbunden, der sich nach abwärts und zur Seitenwandung des Bohrlochs zu erstreckt.
Am Träger 15 ist noch ein zweites. im liii wesentlichen zylindrisches Gerät 16 befestigt, das an der Wandung anliegt und über eine Verlängerung 17 des Rohres 15 mit einem als Gewicht dienenden Bauteil 18 verbunden ist. Der Rohrteil 17 weist. ähnlich dem Teil 15. eine gekrümuite Gestalt auf. erstreckt sich jedoch nach abwärts und von der Seitenwand des Bohrlochs weg.
Das Gerät 10 und das Gewicht 18 sind durch eine in üblicher Weise gebogene Feder 19 verltunden. die einen sich an die Bohrloch-Seitenwandung anlehnenden Schuh 20 aufweist. Die Krümmung und die Nachgiebigkeit der Feder 19 sind in bekannter Weise so gewählt. daß die Fläche 21 des Gerätes 16 (s. Fig. 2) in Anlage att der Seitenwandung des Bohrlochs 12 gehalten wird, wenn das Aggregat das Bohrloch durchquert.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, die den Ausschnitt der Fig. 1B in größerem Maßstab zeigt, besteht das Gerät 16 aus einem dünnwandigen Stahlbehälter oder -gehät 22. der eine oltere und eine untere Öffnung 23 bzw. 24 aufweist. deren Durchmesser mit demjenigell der Rohrteile 15 und 17 übereinstimmt. Diese Rohrteile bestehen aus eineln Stück mit einem sie miteinander verbindenden Rohr 25, das sich in Längsrichtull. im wesentlichen parallel zur Fläche 21 durch das Gerät 16 hiiidurch erstreckt. Das Rohr 25 weist mehrere Bohrungen auf, so daß geschmolzenes Blei oder ein anderes geeignetes Abschirmungs- material eingeführt werden kann, das nach seinem Erstarren eine Gammastrahlenabschirmung 27 bildet. die im wesentlichen sowohl den Behälter 22 als auch den Rohrteil 25 füllt.
In der Nähe des unteren Ende der Anlagefläche 21 befindet sich eine mit Gewinde versehene Bohrung 28. die eine Tablette oder Schraube 29 aus Gammastrahlen aussendendem Ätateri al aufnehmen I;ann.
Die Einrichtung enthält ferner ein Detektorsystem zur Aufnahme eines Untersuchungsergebnisses der durch die Erdformationen beeinflußten Gammastrahlung. Ein Teil des Detektorsystems ist in einem Aluminium-Druckgehäuse 30 enthalten, das in einer Aussparung 31 in der Abschirmung 27 des Gerätes 16 liegt, deren oberes Ende in gleicher Richtung mit der Öffnung 23 ist. IGm einen Teil des später zu beschreibenden Detektorsystems in enge Verbindung mit der Seitenwandung des Bohrloches 12 zu bringen und die Länge der an der Seitenwandung anliegenden Fläche dennoch auf einem Minimum zu halten, ist die Bohrung 31 relativ zur Längslinie der Fläche 21 in einer zur Achse des Bohrloches 12 schräg verlaufenden Richtung geneigt; an der Vorderseite de- Rohrteiles 25 ist ein Ausschnitt 32 vorgesehen. der der Neigung entspricht. Das Gehäuse 30 kann als eine Verlängerung des Gerätes 16 angesehen werden. und um einen Teil des Gehäuses 30 aufzunehmell. das aus der Öffnung 23 vorsteht. ist das Rohr 15 zuitt 'l'eil mit der Bohrung 31 ausgerichtet.
Im Inneren des Gehäuses 30 ist ein übliches doppelwandiges Dewar-Fläschchen 33 elastisch angebracht. an dessen unterem Ende ein Szintillationselement 34. z. B. ein zylindrischer Kristall aus Natriumjodid, angeordnet ist. der sich infolge der Neigung der Bohring 31 verhältnismäßig dicht an der Fläche 21 befindet. Außerdem ist im Innern des Fläschchens 33 ein Photoelektronenvervielfacher 35 angeordnet, dessen Endfenster 36 mit dem Kristall 34 optisch gekoppelt ist. Das Dewar-Fläschchen 33 isoliert sowohl den Kristall 34 als auch den Vervielfacher 35 thermisch vom Bohrschlamm 14 und vermindert dadurch alle schädlichen Wirkungen, welche sich aus den zuweile in einem Bohrloch vorkommenden hohen Temperaturen ergeben.
Zum elektrischen Anschließen des Photovervielfachers 35 dient ein Sockel 37. der im Verschluß 37' des Dcwar-Fläschchcits entllalten ist. Die Platte 38 trägt dem Photovervielfacher zugeordnete Schaltungselemente.
Elektrische Verbindungsteile 39 und 40 sind entsprechenden Buchsen 41 und 42 einer Kappe 43 zugeordnet. die das Gehäuse 30 abschließt. Auf diese Weise können die elektrischen Eingangs- und Augangsleiter 44 und 45 mit dem Vervielfacherstromkreis verhunden werden. obgleich das Gehäuse 30, zusammen mit seiner Kappe 43. einen druckfesten Behälter bildet.
Um den Bohrschlamm 14 volt der Vorderseite des Szintillationselementes 34 zu verdrängen, ist der ohere Vorderteil des Behälters und der Abschirmung 27 ausgeschnitten, um einen Bauteil 46 aufzunehmen. der für Gammastrahlen im wesentlichen durchlässig ist. Der Schlammverdränger 46 kann beispielsweise aus Aluminium bestehen, und seine Formgebung ist so gewählt, daß er sich der zylindrischen Gestalt der an der Wandung anliegenden Fläche 21 anpaßt. Unterhalb einer durch die strichpunktierte Linie 47 dargestellten und durch den obersten Punkt des Szintillationselementes 34 bestimmten Ebene wirkt der Verdränger 46 wie eine im wesentlichen gerade Fortsetzung der Fläche 21 und verringert dadurch die Menge des Bohrschlammes zwischen der Fläche 21 und der Seitenwandung des Bohrloches. Um jedoch die an der Wandung anliegende Fläche 21 so kurz wie möglich zu halten, um einen guten Wandkontakt zu erleichtern, ist der Verdränger 46 oberhalb der Ebene 47 allmählich gekrümmt und weist an seiner Verbindungsstelle mit dem Rohr 15 einen sanften Übergang auf. Die Gestalt des Verdrängers 46 kann am besten aus der Betrachtung der schaubildlichen Darstellung in Fig. 3 erkannt werden. die zeigt, daß er eine halltzvlindrische Innenfläche 48 aufweist, die der Form des Gehäuses 30 entspricht.
Die in Fig. 2 mit den Buchstaben S-lD bezeichnete Entfernung itl Längsrichtung zwischen dem geolnetrischen Mittelpunkt der Quelle 29 und des Detektorkristalls 34 wird gewählt, um eine gewünschte Betriebscharakteristik zu schaffen. Die Art, in welcher dieser S-D-Abstand bestimmt wird, wird aus einer nachstehend gebrachten Erörterung klar.
Ä\ie aus tlett> dem in Fig. 1 dargestellten elektronische Gerät hervorgeht, sind die Starkstromleiter 44 für den Vervielfacherstromkreis mit einer Stromversorgung 49 verbunden, welche über isolierte Leiter 50 eines Kabels 11, durch eine über Tage befilldliche, mit einem Schalter 52 ausgerüstete Energiequelle 51 erregt wird.
Das Impulssignal vom Photovervielfacher 35 wird über Leiter 45 einem Kathodenverstärker 53 zugeführt, der wegen seines charakteristischen hohen Eittgangsscheinwiderstandes und des mit dem Impulsformer 54 gekoppelten niedrigen Ausgangsscheinwiderstandes verwendet wird. Der Impulsformer 54 kann z. B. aus einer Verzögerungsleitung zum Ableiten von Impulsen proportionaler Höhe, jedoch im Vergleich zu den ihm zugeführten Impulsen herabgesetzter Dauer bestehen. Der Impulsformer 54 ist mit einem Verstärker 55 gekoppelt, der seinerseits mit einem Amplitudendiskriminator 56 gekoppelt ist, der so eingestellt ist, daß die gewöhnlich durch den fremden Dunkelstrom des Photovervielfachers verursachten Impulse mit relativ geringen Amplituden der in vorliegendem Falle aus einem elektronischen Zähler 57 bestehenden folgenden Stufe nicht zugeleitet werden. Der Zähler wird verwendet, weil Zählgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 104 Zählungen pro Sekunde verlangt werden. um in der Praxis der Genauigkeit dieser Vorrichtung zu entsprechen, und die gebräuchlichen Kabel übertragen Impulse von dieser Geschwindigkeit bei geringer Energie nicht leicht. Der Impulszähler 57 ist mit einem Leistungsverstärker 58 gekoppelt, der über isolierte Leiter 59 des Kabels 11 mit einem fieber Tage aufgestellten Zählgeschwindigkeits-Registriergerät 60 verbunden ist, in welchem das Registrierungsmittel im Verhältnis zur Bewegung des C;erätes 16 im Bohrloch verschoben wird. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Feststellung der Zählgeschwindigkeit im Verhältnis zur Tiefe erhalten werden.
Die Kreiselemente 49, 53, 54, 55, 56, 57, 58 und 60 können üblicher Bauart sein, so daß ihre genauere Erläuterung nicht erforderlich sein dürfte.
Im Betrieb wird das aus dem Gehäuse 10, dem Gerät 16 und den dazugehörigen Bauteilen bestehellde Aggregat in das Bohrloch unter die zu untersuchende Formation heruntergelassen. Der Schalter 52 wird geschlossen, und das Aggregat wird mit normaler Untersuchungsgeschwindigkeit gehoben. während die Feder 19 die Fläche 21 des Gerätes 16 in Anlage an der Seitenwandung des Bohrloches hält. Die Gamma- strahlung der Quelle 29 bestrahlt die Formationen und einige dieser Gammastrahlen werden nach Beeinflussung durch das Formationsmaterial durch das Szintillationselement 34 aufgefangen. Wie bekannt. wirkt der Kristall 34 als ein Gammastrahlumwandler, so daß entsprechend der Menge der einfallende Gammastrahlung Lichtimpulse erzeugt werden, die einen Energiegehalt aufweisen, der der itt dem Wristall verbrauchtett Gammastrahlenenertrie proportional ist. Die Geschwindigkeit des Auitretens solcher Impulse hängt von der Intensität der Gammastrahlung ah. Jeder derartige Lichtimpuls wird durch dcn Photovervielfacher 35 in einen verstärkten 1 Impuls elektrischer Energie umgewandelt, dessen Amplitude proportional der Lichtimpulsenergie ist; auf diese Weise wird eine Reihe von Impulsen über den Kathodenverstärker 53 dem Impulsformer 54 zugeführt.
Die Impulse werden nach der Herabsetzutig ihrer Dauer im Impulsformer 54 in der Verstärkerstufe 55 verstärkt und über den Diskriminator 56 dem Impulszähler 57 zugeführt. Die Zählgeschwindigkeit der durch den Zähler dem Verstärker 58 zugeführten Impulse ist natürlich proportional der Zählgeschwindigkeit der durch den Photovervielfacher abgegebenen Impulse. Die durch das Gerät 60 aufgezeichnete Zählgeschwindigkeit als Funktion der Tiefe im Bohrloch stellt den am Szintillationselement einfallenden Gammastrahlenfluß dar. Wie aus der nachstehenden Erläuterung klarer hervorgellell wird, ist der aufgefangene Gammastrahlenfluß ein Maß für die Formationsdichte; deshalb kann mittels der Einrichtung ein Dichteprofil erhalten werden.
Im allgemeinen wirken Gammastrahlen unterhalb einer Energie von etwa 0,1 Millionen Elektronenvolt (MeV) mit dem Stoff in einem als photoelektrischer Effekt bekallnten Vorgang zusammen welcher die Gammastrahlen eliminiert. Ein anderer stattfindender Vorgang ist als Compton-Effekt bekannt gemäß welchem die Energie der einzelnen Gammastrahlen herabgesetzt und ihre Richtung geändert wird. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Compton-Effektes innerhalb eines gegebenen Volumens des Stoffes hängt von der Energie des Gammastrahles und von der Elektronenzahl je cm3 ab die gewöhnlich als Elektronendichte bezeichnet wird. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Wechselwirkung hängt von der Gammastrahlenenergie, von der Anzahl der Atome je cm3 und von der Art der vorhandenen Atome ab. Die vorstehenden Faktoren weisen darauf hin, daß Gammastrahlen verwendet werden können, um die Elektronendichte vott Untergrundformationen zu bestimmen und außerdem die Art und Dichte vorhandener Atomkerne in Ahhängigkeit von der Gammastrahlenenergie der verwendeten Quelle anzuzeigen.
Ein Verfahren zur Messung der Elektronendichte besteht darin die Formation als einen Gammastrahlenreflektor zu benutzen. Es können z. B. eine Gammastrahlungsquelle und ein sehr dicht daneben liegender Gammastrahlendetektor verwendet werden. Die Gammastrahlung aus der Quelle wird nach dem Compton-Effekt zerstreut, wobei einige der zerstreuten Gammastrahlen durch den Detektor aufgefangen werden. Es wurde festgestellt, daß sich der aufgefangene Gammastrahlenfluß bei dieser Anordnung unmittelbar mit der Elektronendichte ändert.
Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Eindringtiefe der Untersuchung bei räumlich wenig oder gar nicht voneinander getrennter Quelle und Detektor für Bohrlochuntersuchungen unzweckmäßig gering ist.
Andererseits kann die Elektronendichte bei verhältnismäßig großem Abstand zwischen Quelle und Detektor durch Ausnutzen der Formation sowohl als Zerstreuer wie auch als Absorptionsmittel gemessen werden. Sofern die Elektronendichte Blei - ztt unter suchenden Mediums größer wird, steigt auch der Betrag der absorbierten Gammastrahlung an. Auf diese Weise ist der Gammastrahlenfluß im Detektor im allgemeinen umgekehrt proportional der Elektronendichte der Formation.
Bei einer Einrichtung mit in großem Abstand von der Quelle befindlichem Detektor sind also sowohl die Zerstreuung als auch die mit dieser in gleichem Sinne ansteigende Absorption beteiligt. Deswegen ist die Elektronendichte eine doppelwertige Funktion der Zählgeschwindigkeit, die wiederum die aufgefangenen Gammastrahlenfluß abbildet. Eine sehr dichte Formation zeigt eine große Absorption, und eine sehr dünne Formation ruft eine geringe Zerstreuung hervor; beides führt zu geringen Zählgeschwindigkeiten.
Es gibt außerdem einen Bereich von Abständen zwischen der Quelle und dem Detektor, der für die normalerweise bei Untersuchungen im Bohrloch auftretenden Formationsdichten die Zählgeschwindigkeiten mit der Dichtigkeit steigert. Außerdem gibt es größere als die zuletzt erwähnten Abstände, für welche die Zählgeschwindigkeiten mit steigender Dichte abnehmen.
Es kann gezeigt werden. daß. wenn der Compton-Effekt die vorherrschende Form der Wechselwirkung mit der Formation ist, lediglich die Elektronendichte ausschlaggebend ist. Die Energie der in der Einrichtung nach Fig. 1 und 2 enthaltenen Quelle kann so gewählt werden, daß diese Bedingung erfüllt ist.
Demgemäß kann eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Einrichtung dazu verwendet werden, ein Untersuchungsergebnis zu erhalten, das die Dichte der Formation als Funktion der Tiefe im Bohrloch genau darstellt.
Bei Versuchen zur Ermittlung sowohl des günstigsten Abstandes zwischen der Quelle und dem Anzeigegerät Detektor als auclt anderer Eigenschaften der erläuterten Einrichtung wurde ein Szintillationselement von 3,8 cm Durchmesser und 5,1 cm Länge verwendet, und der Ausgang des Photovervielfachers war mit einem gebräuchlichen Einkanal-Impulshöhen-Analysiergerät gekoppelt. Fig. 5 zeigt ein typisclles Impulsamplitudenspektrum, welches bekanntlich die Energie der aufgefangenen Gammastrahlung veranschaulicht. Es ist eine Zunahme im Lichtquantfluß infolge des auf Streuung beruhenden Compton-Effektes zu sehen, wenn die Energie sich vermindert. bis die photoelektrische Absorption in der Nähe voll 100 keV beginnt, sich bemerkbar zu machen, indem im Spektrum ein Maximum auftritt, worauf eine scharfe Abnahme erfolgt, wenn die Kurve auf noch niedrigere Energien geht.
Bei den erläuterten Experimenten wurden laboratoriumsartige Formationen verwendet, die Kalkstein bei einem Bohrloch von 15,25 cm sowie Sand plus Wasser bei einer Reihe von Bohrlochgrößen enthielten. Die Dichte dieser Forlnationell sind in Fig. 4 veranschaulicht, in welcher ein der Wirklichkeit entsprechender Bereich von Dichten (2,0 bis 2,7 g/cm3) enthalten ist. Die angewandten Bohrlochflüssigkeiten gewähren einen der Wirklichkeit entsprechenden Dichtebereich von 1,0 bis 2,0 g/cm3. Mit dieser Versuchsreihe wurden verschiedene S-D-Abstände benutzt, schwankende Verhältnisse von Zählgeschwindigkeiten wurden in den beiden Formationen beob- achtet, die im Bereich von 1,7 bis 2,4 lagen, wenn der S-D-Abstand von 24 bis 40 cm erhöht wurde.
In Fig. 8, die die Angaben zusammenfaßt, ist zu erkennen, daß die Auflösung, d. lt. der Grad. bis zu welchem Veränderungen in der Dichte angezeigt werden können, sich direkt mit dem Abstand ändert; die Zählgeschwindigkeit fällt jedoch ganz merklich mit dem Abstand.
Weitere. durch die Verwendung einer 1,70 cm hinter der Fläche 21 zurückliegenden Kobalt-60-Quelle (Fig. 2) und durch Registrieren der Gammastrahlung über 70 keN- erhaltene Differentialimpulshöhenverteilungen sind in Fig. 7 enthalten, in der verschiedenen bestimmten Formationen und S-D-Abständen entsprechende Kurven als Vorstellung der Zählgeschwindigkeit im Verhältnis zur Impulshöhe eingezeichnet sind. In Fig. 5 und 7 ist für Orientierungszwecke ein annähernder Energiemaßstab in MeV angegeben.
Die Zählgeschwindigkeit kann natürlich durch Steigerung der Stärke der Quelle erhöht werden. Mit Rücksicht auf Kosten und Gesundheitsgefahr erscheint jedoch die Verwendung einer kleinen ()uellenstärke sehr erwünscht. Außerdem darf die an der Seitenwandung anliegende Fläche des Geräts 16 (Fig. 2) nicht übermäßig lang sein. da ihr Zusammenarbeiten mit der Seitenwandung des Bohrloches dadurch ungünstig beeinflußt werden kann und zu unerwünschten Störungen in der Untersuchung führt, die durch die Veränderung der Bohrschlammengen vor der Fläche 21 verursacht werden. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen kann beispielsweise für eine annähernd 50 Millicurie betragende Kobalt-60-Quelle vorzugsweise ein S-D-Abstand von 38 cm verwendet werden.
Es wurde bemerkt, daß durch das Einstellen der Einrichtung auf die Aufnahme von Gammastrahlen über 45 keV die Zählgeschwindigkeit um 50% gesteigert wurde ohne merliliche Veränderung - des Ergel)-nisses. Wird eine Höhe von 200 keV verwendet, so wird die Zählgeschwindigkeit um annähernd einen Faktor ron 2 herabgesetzt. Diese Ergebnisse können den Daten der Fig. 7 entnommen werden.
In ihr gehört die Kurve a zu Sand und Wasser, Abstand 24 cm; b zu Marmor. Altsand 24 cm: c Sand und Wasser, Abstand 32 cm; d Sand und Wasser.
Abstand 40 cm; c Marmor, Abstand 32 cm, und f Marmor, Abstand 40 cm.
Eine ungefähre Ermittlung des Untersuchungsradius bei einem S-D-Abstand von 32 cm wurde durch allmähliche Vergrößerung des Radius einer Laboratoriumsformation geringer Dichte an der Außenseite eines Bohrloches vorgenommen. Die Ergebnisse dieses Versuches sind in der Tabelle zusammengestellt:

Formationsradius über Gesamtzählgeschwindigkeit

das Bohrloch hinaus (beliebige Einheiten)

3.81 cm 261

6,33 cm 401

8,89 cm 590

17,78 cm 865

Es ist aus den Daten der Talelle klar. daß zu mehr als der Hälfte der Gesamtzählgeschwindigkeit das Material beiträgt, das mehr als 6,35 cm von der Seitenwandung des Bohrloches entfernt ist. Diese Tatsache ist bedeutsam. weil es sich durch Versuche gezeigt hat, daß Seitenwandungsvorrichtungen dieser Art, wie sie früher vorgeschlagen wurden, Untersuchungsradien halten, die erheblich kleiner als diese sind, eine Tatsache, die sie für die Feststellung der Formationsdichte nahezu unbrauchbar macht.
Ein zweiter verbesserter Versuch wurde mit verschiedenen Dicken von Kalkstein und einem 38,5 cm betragenden Abstand S-D durchgefiihrt. Die Ergebnisse sind in einer Kurve in Fig. 8 aufgetragen.
Nun soll das Problem der Aufrechterhaltung einer gewünschten hohen Genauigkeit in den mit Hilfe der Einrichtung nach Fig. 1 und 2 erzielten Dichtemessungen unter Berücksichtigung verschiedener schädlicher Faktoren liehandelt werden.
Um Mittel anzugeben, durch die der erste dieser schädlichen Faktoren, nämlich die Bohrlochgrößenwirkung, praktisch beseitigt wird, wurden Versuche in einer Formation durchgeführt. deren Dichte von derjenigen des Bohrschlammes am stärksten abweicht weil dann die größte, der Bohrlochgröße zuzuschreihende partielle Wirkung in der Zählgeschwindigkeit unter diesen Bedingungen eintreten sollte. Deshalb wurde die Gammastrahlungswirkung einer laboratoriumsmäßigen Kalksteinformation mit Wasser als Schlamm als Funktion der Bohrlochgröße gemessen.
Die Ergebnisse dieses Versuches waren lediglich eine etwa 4%ige Zunahme der Zählgeschwindigkeit, sofern der Bohrlochdurchmesser von 15,24 cm auf 25,4 cm vergrößert wurde, sie zeigen somit, daß die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung im Gegensatz zu gebräuchlichen Einrichtungen, welche nicht gegen die Seitenwandung des Bohrloches gehalten oder nicht in der besonderen Weise nach Fig. 2 abgeschirmt sind, relativ unempfindlich gegenüber der Bohrloch größe ist. Eine weitere Verbesserung dieses Faktors kann durch eine geeignete Erweiterung der Seiten oder »Wangen« der anliegende Fläche 21 (Fig. 2) in seitlicher Richtung herbeigeführt werden, so daß eine bessere Anpassung an die Seitenwandung bei einem mittleren Bohrlochdurchmesser von 20,30 cm erreicht werden kann.
Die Schlammdichtewirkung ist besonders schädlich für die Genauigkeit von gebräuchlichen Messungen ohne Seitenwandausrüstungen oder mit Seitenwandungsausrüstungen, jedoch ohne die in Fig. 2 veranschaulichte Abschirmung.
Bei den NTersuchell für die Ermittlung von Schlammdichtewirkungen wurden zwei »laboratoriumsmäßige Schlamme« verwendet. von denen der eine aus Wasser und der andere aus einer Mischung aus Sand und Wasser bestand, die einem spezifischen Gewicht von 0,966 bzw. von 1,932 g/cm3 entsprachen. Diese »Schlamme« liegen im Bereich von bei Bohrarbeiten verwelldeten Schlammgewichten. Die Messungen wurden an lahoratoriumsmäßiher Kalksteinformation durchgeführt, weil die Wirkung am stärksten in den dichtesten Formationen erwartet wird. Ferner wurde eine Laboratoriumsvorrichtung mit einzelnen in Längsrichtung voneinander getrennten Ouellen- und Detektorabschirmungen verwendet.
Sofern bei einem S-D-Abstand von 38.5 ctn der »Schlamm« in einem laboratoriumsmäßigen Bohrloch von 25,4 cm Durchmesser von 3,6 kg in 7,2 kg augewandelt wurde. ließ sich eine Steigerung der Zählgeschwindigkeit von 11% feststellen.
Zunächst wurde zwischen der Quelle tind dem I)etektor mit gekriimmter Kante gegen die Bohrloch wandung eine 5 cm starke Bleiplatte gelegt, die einen Durchmesser des Bohrloches von 95.4 cm hatte, alter von »Halbmond«-Gestalt war. Es wurde gefunden. daß diese Platte die Schlammdichtewirkung auf nur 30/o herabsetzte. Es wurde ferner festgestellt, daß die um 9% verkleinerten absoluten Zählgeschwindigkeiten auf diese Weise anzeigten, daß wenigstens 9% der angezeigten Gammastrahlen einen Teil ihres Gesamtweges zwischen der Quelle und dem Detektor in der Bohrlochflüssigkiet bei diesem großen Zwischenraum zurücklegen, wenn keine dazwischenliegende Abschirmung verwendet wird. Aus diesem Grunde ist der Zwischenraum zwischen der Quelle und dem Detektor Itei der in Fig. 2 veranschaulichten Bauart mit Blei ausgefüllt; in Wirklichkeit ist das gesamte dargestellte Blei nicht für die Abschirmung, sondern vielmehr für die Schlammverdrängung erforderlich.
Eine Herabsetzung des Gewichtes des Gerätes 16 kann dadurch erfolge, daß etwas Blei aus dem Raum zwischen der Quelle und dem Detektor entfernt und genügend Blei beibehalten wird, um eine hinreichende Gammastrahlenabschirmung zu schaffen. Um das Aggregat widerstandsfähiger auszubilden, kann der entstehende Zwischenraum mit irgendeinem geeigneten Stoff von geringem Gewicht, etwa mit Aluminium ausgefüllt werden.
Außerdem können die Schlammdichtewirkungen weiterhin durch Erweiterung der »Wangen« der Fläche 21 in der vorstehend in Zusammenhang mit der Bohrlochgrößenwi rkung vorgeschlagenen Weise herabgesetzt werden.
Es wurde gefunden, daß die wichtigste Wirkung, auf die Rücksicht genommen werden muß, diejenige ist, die durch den Schlammkuchen an der Seitenwandung des Bohrloches entsteht. Da wie im Falle der Bohrlochgrößenwirkung erwartet wird, daß die stärkste Wirkung für den größten Kontrast zwischen der Formationsdichte und der Schlammkuchendichte eintritt, so wurden Versuche in einer Kalksteinformation durchgeführt, indem laboratoriumsmäßige »Schlammkuchen« von 4,8 mm Stärke mit 1,2 g/cm3 und 6,4 mm Stärke und 2,1 g/cm3 verwendet wurden.
Es wurden in Längsrichtung räumlich getrennte Quelle und Detektorabschirmgehäuse verwendet, und die Quelle wurde an das Fenster ihres Hohlraumes gesetzt; der i ,2-g/cm3-Schlammkuchen rief eine 15%ige Zunahme der Zählgeschwindigkeit für einen 32-cm-S-D-Abstand im Vergleich zu dem Zustand ohne » Schlammkuchen « hervor. Ein Zurückverlegen der Quelle um 1,3 C171 verringerte die Wirkung um 11°/o; auf diese Weise zeigte sich, daß der Schlammkuchen, wenigstens teilweise, auf die Zählgeschwindigkeit einwirkt, indem er einen Nebenübertragungsweg für Gammastrahlen darbot, die von der Quelle zum Detektor bei relativ kleinen Winkeln gegenüber der Bohrlochachse ausgestrahlt wurden.
Es wurde eine Untersuchung der Wechselbeziehung der Schlammkuchenwirkung bezüglich des Energiespektrums für einen 32-cm-S-D-Abstand und einen 6,4 mm starken 2,1-g/cm3-»Schlammkuchen« durchgeführt. Bei einer Vorspaniiung im Diskriminator 56 (Fig. 1A) von der Art, daß die Gammastrahlenenergien von über 45 keV angezeigt wurden, ergab sich eine Schlammkuchenwirkung von 12°/o. Bei einer Vorspannung, die zum Anzeigen von Gammastrahlen von filter 450 keV eingestellt war, nahm die Schlammkuchenwirkung auf 80/0 ab Auf diese Weise kann die Schlammkuchenwirkung durch die Nutzbarmachung derjenigen Gammastrahlen, welche die kleinste Wahrscheinlichkeit der Zusammenwirkung rkut>g mit der Schlammasse habe», entweder infolge ihres niedrigen Dämpfungskoeffizienten in der Schlammasse (energetisch starke Gammastrahlen) oder infolge der Tatsache herabgesetzt werden, daß nur ein kleiner Teil ihres Gesamtweges von der Quelle zum Detektor in dem Schlammkuchen erfolgt.
Eine phänomenologische Analyse dieser >vi Wirkung nimmt eine Dämpfung der Gammastrahlen nach einer Exponentialfunktion entlang irgendeiner gekrümmten Bahn zwischen der Quelle und dem Detektor an. Die Zählgeschwindigkeit für eine feststehende Quellenstärke ist proportional der Übertragung T, und dies kann wie folgt ausgedrückt werden: T = e-µx, (1) wo u der effektive Dämpfungskoeffizient und x die Entfernung entlang der gekrümmten Bahn ist. Nimmt matt nun an, daß ein Teil der Bahn in der Formation durch einet Teil durch den Schlammkuchen mit einem geringerett Dämpfungskoeffizienten ersetzt wird, für den für den Augenltlick der Wert Null angenommen wird. daten ist die Änderung in der Übertragung dT dT = -µe-uxdx (2) oder aus der Gleichung (1), dT = -µTdx. (3) Die partielle Änderung in der Übertragung für dx eine partielle Änderung der Bahnlänge ist x Bei Untersuchungen mit einer Gammastrahlenquelle und einem Anzeigesystem für Gammastrahlen kommen sehr kleine Übertragungen vor. Diese können in der Größenordnung von 10-3 bis 10-4 liegen, für welche In T eine relativ große Zahl ist. Auf diese Weise wird sie. auch wenn dx/x, d. h. die partielle Änderung in der Bahnlänge durch die Formation. klein ist. mit einer großen Zahl. d. h. mit lt> T, multipliziert.
Daher kann die partielle Änderung in T und auf diese Weise in der Zählgeschwindigkeit bemerkbar sein.
Dieses sollte natürlich als eine rohe Annäherung betrachtet werden. weil T nicht genau eine Exponentialfunktion ist. der Aufbau nicht darin enthalten ist und der tatsächliche Dämpfungskoeffizient eines S;chlammkucllells nicht gleich Null ist. Die Berücksiclttiguitg der Natur der Wirkung erlaubt es jedoch durch die nachstehend beschriebene neue Vorrichtung die Schlammassenwirkung in praktischen Fällen herabzusetzen.
Ut» Schlammkuchenxvirkungen rkui>gcn herabzusetzen, kann die Einrichtung nach Fig. 2 in der in Fig. 9 gezeigten Weise eine Abänderung erfahren. Dort ist ein abgewandeltes Gerät 16' veranschaulicht, dessen Behälter 22' durch einen Teil 70 ergänzt ist. der die sich gegen die Seitenwand anlegende Fläche 21' abdeckt. Eine erweiterte Aussparung 71 für die Quelle nimmt eine Tablette 72 aus Hg203 oder einer anderen Gammastrahlenquelle geringer Energie auf; zwischen dem Behälterteil 70 und der Quelle 72 sind in parallelen, waagerecht verlaufenden Ebenen mehrere Abschirmfenster 73 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird vorzugsweise eine kleine Energiequelle vorgesehen, um eine gewünschte Kollimation mit relativ dünnen Fensterchen zustande zu bringen.
Eine ähnliche Gruppe vott Fenstern 74 ist zwischen dem Behälterteil 70 und dem mit gestrichelten Umrißlinien angedeuteten Szintillationselement 34' ange- ordnet. wobei ein abgeänderter Aluminiumteil 77 oberhalb der Fenster 74 vorgesehen ist.
Die Abschirmfenster 73 und 74 können aus Blei bestehen, und die die Gammastrahlen durchlassenden Zwischenräume zwischen ihnen sind mit einem Stoff mit einen> geringen Gammastrahlen-Absorptionskoeffizienten, etwa mit durch die Bezugszahlen 75 und 76 bezeichnetem Wasserstoff-Kunstharz oder Beryllium, ausgefüllt.
Bei dieser abgewandelten Anordnung treten sämtliche Gammastrahlen aus der Quelle 72 in die Erdformationen quer zur Schlammasse eirs. und die Gammastrahlen werden. wenn sie im wesentliche quer zur Schlammasse verlaufen, durch das Anzeigegerät 34' aufgefangen. Demgemäß wird die durch Gammastrahlen durchquerte mittlere Dicke der Schlammasse auf einem Minimum gehalten, und der Schlammasseneffekt wird herabgesetzt.
Eine andere Anordnung zum Herabsetzen des Schlammasseneffektes ist in Fig. 10 veranschaulicht. gemäß welcher die Gammastrahlen(luelle in eine enge Verbindung mit den Formationen gcltracl>t ist. Zu diesem Zweck ist eine Quelle 80 in einer Mulde 81 an der Vorderseite eines messerförmigen Teiles 82 angeordnet. Der Teil 82 ltcstel>t aus einer Wolfram-Kupfer-Nickcl-Legicrung: die Quelle 80 kann aus radioaktivem Quecksilber mit dem Atomgewicht 203 bestehen, das Gammastrahlen relativ niedriger Energie ausstrahlt. Obwohl das Messer 82 somit relativ klein sein kann, blockiert es die gesamte Gammastrahlung wirksam außer derjenigen, die iiaclt von durch eine verhältnismäßig dünne Wolfram-Karbid-Schneidenkante 83 ausgestrahlt wird.
Das Messer 82 ist an seinem anderen Ende um einen sich quer durch einen Längsschlitz 85 im Vorderteil des Gerätes 16' erstreckenden Zapfen 84 schwenkhar. Der Schlitz ist groß genug. so daß das Messer 82 in eine durch den gestrichelten Umriß 82' veranschaulichte »verdeckte« Lage zurückgezogen werden kann; eine Feder 86 hält das Messer in vorgespannter Lage auf seinem Zapfen 84. Das Messer wird auf diese Weise in Eingriff mit der Schlammasse 87 gedrückt, und sobald das Gerät durch das Bohrloch nach oben gezogen wird, ermöglicht die Schneidenkante 83 dem Messer, die Schlammasse zu durchdringen. Dadurch wird die Ouelle 80 in enge Verbindung mit der Formationsmasse 88 gebracht. und die Schlammwirkung kann auf annähernd die Hälfte herabgesetzt werden.
Falls erwünscht, kann das Älesser 82 mit geeigneten, mit dem Gehäuse 33 des Anzeigegerätes zusammenwirkenden mechanischen Lenkern verbunden werden, so daß das Gehäuse 33 bei der Schwenkbewegung des Messers um einen geeigneten Betrag versetzt sowie ein gegebener Abstand S-O aufrechterhalten werden kann.
Es wurde befunden. daß durch Verwendung einer Gammastrahlenquelle mit einer Energie. die bei einem gewählten Bruchteil vott 1 MeV liegt -- z. B. durch Verwendung von Hg203 als Gammastrahlenquelle -. eine gesteigerte Dichteauflösung ffir eine gegebene Länge der anliegenden Seitenwandung des Gerätes in Längsrichtung erhalten werden kann. Gegebenenfalls kann eine gegebene Auflösung. die mit einer Radium-oder Co60-Ouelle ausgeführt wurde, aufrechterhalten werden, auch wenn die Länge des Gerätes vermindert ist. Dementsprechend führt eine bessere Verbindung zwischen dem Gerät und der Bohrlochseitenwandung zu einer größeren Genauigkeit bei den erhaltenen Dichtemessungen.
Um diese überraschende Wirkung der Erfindung besser klar zu machen, wurden Versuche durchgeführt, indem eine Co60-Quelle und eine Hg203-Quelle und ein Spektrum-Analysier-Gammastrahlen-Anzeigegerät verwendet wurden. Als Ergebnis der Bestrahlung mit Gammastrahlung bei Energien von 1,17 und 1,33 MeV vom Co60, der im Durchschnitt eine Energie von 1,25 MeV hat, leitet die Anzeigeeinrichtung die in Fig. 11 veranschaulichten Kurven für hohe und niedrige Dichten bzw. spezifische Gewichte ab. Eine angenommene Vorspannungshöhe ist als eine mit »Vorspannung« bezeichnete vertikale Linie eingezeichnet, um zu zeigen, wie der Diskriminator 56 nach Fig. 1 A eingestellt werden könnte, um fremde Störimpulse zu beseitigen. Das Verhältnis der durch die Kurven für geringe und hohe Dichte und die Vorspannungsl ittie eingeschlossenen schraffierten Fläche zur Fläche unterhalb einer dieser Kurven bestimmt die Auflösung (resolution) durch die Einrichtung.
Nach Fig. 12 ist dieselbe Darstellungsart für die die Gammastrahlung bei 0,28 MeV ausstrahlende Hg203-Quelle angewandt; sie bestimmt die Dichteauflösung in derselben Weise wie oben. Ein Vergleich bei Betrachtung der Fig. 11 und 12 veranschaulicht daß die die kleine Energiequelle benutzende Ausführungsform eine erhöhte Auflösung ergibt.
Fig. 13 stellt eine typische Eichkurve für die in Fig. 1 und 2 dargestellte Einrichtung dar. und zwar aufgezeichnet als Dichtewerte in g/cm3 in Abhängigkeit von Zählungen pro Sekunde, bezogen auf Millicurie (Quelle). Dieser Kurve kann entnommen werden, daß die Einrichtung die gewünschte hohe Auflösung hat; es findet eine große Veränderung in der Zählgeschwindigkeit für eine relativ geringe Dichteveränderung statt. Dementsprechend verursachen geringe Unhestimmtheiten in der Zählgeschwindigkeit infolge von entweder statischen Schwankungen oder systematischen, etwa durch Schlaminasse, Schlammdichte usw. hervorgerufenen Ursachen keine nennenswerte Verminderung der Genauigkeit der Dichtemessungen. Es ist deshalb klar. daß die erfii>dungsgemäße Gammastrahleneinrichtung für die Untersuchung eine größere Genauigkeit gewährt, als früher erreichbar war.
Es sind besondere Gammastrahlenquellen und z war Co60, Hg203 und Radium, aufgezählt worden, es können natürlich auch andere Quellen verwendet werden, deren Energie bei einem gewählten Bruchteil von 1 MeV liegt, entweder natürlich radioaktive oder Quellen. ltei denen die Gammastrahlung durch die Beschleunigung von Teilchen erzeugt wird, bevor diese auf einen geeigneten Prallkörperstoff auftreffen.
Es können ferner andere Anzeigegeräte bzw. Detektoren verwendet werden. So kann z. B. eine Ionisationskammer bei der Einrichtung nach der Erfindung verwendet werden.
PATENTANSPROCHE: 1. Vorrichtung zum Messen der Dichte von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen, ausgestattet mit einem durch das Bohrloch hindurchbewegten Gehäuse. von dem ein Teil seiner Oberfläche an der Innenwand des Bohrloches anliegt, ferner mit einer Gammastrahlenquelle zur Bestrahlung der Erdformation durch ein Oberflächenstück des Gehäuses, mit einer Detektoreinrichtung, die auf die aus der Erdformation durch die mit der Bohrlochwandung in Anlage stehende Fläche zurückkehrende Gammastrahlung anspricht, und mit einer Abschirmvorrichtung für die Gammastrahlen, die von dem Obcrfiächenstück des Gehäuses ausgeht und sowohl Quelle wie Detektoreinrichtung teilweise umschließt, jedoch Teile des Raumes zwischen einerseits der Quelle und der Detektoreinrichtung, andererseits dem Oberflächenstück des Gehäuses frei läßt, dadurch gekennzeiichnet, daß die Gammastrahlenquelle Teilchen mit niedriger Energie von weniger als 1 Million Elektronenvolt emittiert.

Claims

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen einerseits der Quelle und der Detektoreinrichtung und andererseits dem Oberflächenstück des Gehäuses liegende Raum ein Abschirn>system enthält, das nur für solche Gammastrahlen durchlässig ist, die rechtwinklig durch das Oberflächenstück des Gehäuses hindurchgehei>.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmsystem die Form eines Gitters mit parallel laufenden Durchlaßschlitzen aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 469 461, 2 648 012, 2 648 778, 2 550 610; Zeitschrift »Ol und Kohle in Gem. mit Brennstoffchemie«, 1943, S. 939.