DE1293929B

DE1293929B - Vorrichtung zur Dichtebestimmung bohrlochdurchteufter Erdformationen mittels Gammastrahlen

Info

Publication number: DE1293929B
Application number: DESCH34304A
Authority: DE
Inventors: Wahl John S
Original assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Current assignee: Schlumberger Well Surveying Corp
Priority date: 1962-12-10
Filing date: 1963-12-10
Publication date: 1969-04-30
Also published as: US3321625A; FR1409230A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dichte- den zu untersuchenden, porösen. Zonen. Die Dichte bestimmung bohrlochdurchteufter Erdformationen des Bohrschlammkuchens unterscheidet sich wesentmit einem in das Bohrloch absenkbaren Gehäuse, Hch von derjenigen der Formation. Die Gammastrahwelches an die Bohrlochwandung anlegbar ist, und len der radioaktiven Quelle müssen jedoch durch den eine Strahlungsquelle für Gammastrahlung zur Be- 5 Bohrschlammkuchen laufen, um die Formation zu strahlung der Erdformationen durch den Teil des erreichen, und bei ihrer Rückkehr zu einem Gamma-Gehäuses, der der Bohrlochwandung anliegt, sowie Strahlenempfänger nochmals diesen Bohrschlammzwei Gammastrahlenempfänger aufweist, die beide kuchen durchdringen. Wie vorangehend erwähnt, oberhalb oder unterhalb der Strahlungsquelle ange- messen die bekannten »Gamma/Gammae-Unterbracht sind, für den Empfang von Gammastrahlen, io suchungsverfahren die durchschnittliche Dichte der die durch die der Bohrlochwandung anliegenden Ab- in Frage stehenden Formationen; da die Gammaschnitte des Gehäuses zurückkehrt, das ferner eine strahlen auf ihrem Weg von der radioaktiven Quelle Gammastrahlenabschirmung zwischen derStrahlungs- zu dem Empfänger zweimal durch den Bohrschlammquelle und den Empfängern aufweist, die die Strah- kuchen laufen müssen, folgt, daß die Dichte des lungsquelle sowie die Empfänger mit Ausnahme von 15 Bohrschlammkuchens in starkem Maße die schein-Öffnungen an dem der Bohrlochwandung anliegenden bare Dichte der Formationen beeinflußt. Dies ergibt Wandungsabschnitt umgibt. einen beachtlichen Fehler bei zahlreichen bisher

Derartige Vorrichtungen sind grundsätzlich be- durchgeführten »Gamma/GammaÄ-Untersuchungen.

kannt. Das Vorsehen von zwei Gammastrahlenemp- Wenn Szintillationszähler zur Aufnahme der zurückfängern dient dabei in einer bekannten Vorrichtung ao laufenden Gammastrahlen verwendet werden, ist es

dazu, die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegen- darüber hinaus schwierig, eine geeignete Abschir-

über sich ändernder Dichte zu steigern (USA.-Patent- mung gegenüber von außen auf das Szintillations-

schrift 2 469 461). Die Anordnung der beiden Strah- material auffallenden Gammastrahlen zu schaffen,

lungsempfanger in unterschiedlicher Weise und in insbesondere, wenn diese Strahlen von oben einfallen; unterschiedlichem Abstand von der Strahlungsquelle 25 diese Störstrahlung wird ebenfalls in dem Bohrloch

dient bei einer anderen bekannten Vorrichtung dazu, gestreut, dringt jedoch nicht in die Formationen ein.

Flüssigkeit oder Zement in der Umgebung der Vor- Dies verursacht einen wesentlichen Fehler bei den

richtung aufzuspüren (USA.-Patentschrift 2 934 652). bekannten Vorrichtungen zur »Gamma/Gamma«-

Bekanntlich ist eine brauchbare Dichtemessung Untersuchung.

durch Bestrahlung der ein Bohrloch umgebenden 30 Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer VorFormation mit Gammastrahlen durch eine innerhalb richtung zur Durchführung einer »Gamma/Gamma«- einer Bohrlochsonde angeordnete radioaktive Strah- Untersuchung, welche von den vorangehend erwähnlungsquelle möglich, indem die Gammastrahlen nach ten Fehlermöglichkeiten frei ist und die Einwirkung ihrer Streuung in den Formationen aufgenommen und des Bohrschlammkuchens sowie der äußeren Strahangezeigt werden. Bei der Durchführung einer Unter- 35 lung wesentlich reduziert.

suchung dieser Art treten die Gammastrahlen der Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer bekann-Strahlungsquelle mit den in jedem Atom der Forma- ten Vorrichtung der obenerwähnten Art, erfindungstion enthaltenen Elektronen in Wechselwirkung; die gemäß dadurch gelöst, daß der erste Gammastrahlen-Menge und Energie der Gammastrahlen, welche zu empfänger um einen vorbestimmten Abstand von der dem Gammastrahlenempfänger zurückkehren, hän- 40 Strahlungsquelle getrennt ist, welcher größer ist als gen von der Dichte der Formation ab. Soweit die der »Überbrückungsabstand«, der diejenige Entfer-Elektronendichte mit starker Annäherung proportio- nung eines Gammastrahlenempfängers von der Strahnal der Dichte aller Bestandteile der geologischen lungsquelle ist, bei der der Empfänger eine von der Formationen ist, hängt das in Rede stehende Verfah- Formationsdichte unabhängige Zählrate besitzt, und ren hinsichtlich der hierbei erzielten Anzeige in erster 45 daß der zweite Gammastrahlenempfänger um einen Linie von der durchschnittlichen Dichte der in Frage zwei- bis dreimal größeren Abstand als der erste von stehenden Formationen ab. Diese Bestimmungs- der Strahlungsquelle getrennt ist.
methode wird allgemein als »Gamma/Gamma«- Die Bedeutung des »Überbrückungsabstandes« Untersuchung bezeichnet. Weiterhin kann gezeigt und die Vorteile, die sich aus der Berücksichtigung werden, daß — wie allgemein bekannt ist — bei 50 desselben ergeben, folgen aus nachstehender Erläubekannter Dichte der die Porenräume der Formation terung.

ausfüllenden Flüssigkeiten die Porosität der Forma- Die Zeichnungen stellen im einzelnen dar:

tion leicht aus deren Dichte berechnet werden kann. F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin-

Die für die »Gamma/Gamma«-Untersuchung ver- dungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstel-

wendeten Sonden sind allgemein so ausgelegt, daß sie 55 lung;

die Einwirkungen von innerhalb des Bohrlochs selbst F i g. 2 stellt einen Schnitt längs der Linie 2-2 von

stattfindenden Wechselwirkungen der Gammastrahlen F i g. 1 dar;

vermindern. Zusätzlich ist die Sonde exzentrisch an- F i g. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 von

gebracht und wird gegen die Bohrlochwandung ge- Fig. 1;

drückt, um die Bohrlocheffekte weiter zu vermindern. 60 F i g. 4 zeigt ein Schaubild zur Darstellung von Obgleich diese Vorsichtsmaßnahme viele Nachteile durch die Vorrichtung nach F i g. 1 gelieferten Meßfrüherer »Gamma/Gamma«-Untersuchungen vermei- werten ohne Kompensation der von dem Bohrdet, sind die darauf beruhenden Verfahren gleich- schlammkuchen herrührenden Einwirkung;
wohl noch verbesserungsfähig. F i g. 5 zeigt ein Schaubild zur Darstellung des

Ein bei einer »Gamma/Gamma«-Untersuchung 65 Verhaltens der Meßwerte der Vorrichtung nach

auftretendes Hauptproblem entsteht dadurch, daß F i g. 1 bei Kompensation der durch die Zusammen-

Bohrschlamm sich in Form eines Kuchens auf der setzung des Bohrschlammkuchens hervorgerufenen

Bohrlochwandung absetzt, insbesondere gegenüber Einwirkung.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine unterirdische Sonde 2, welche durch ein Kabel 4 in einem die Erde 8 durchteufenden Bohrloch 6 gehalten ist. Das Bohrloch 6 kann beispielsweise mit Öl, Wasser, Bohrschlamm, Gas oder einem Gemisch dieser Stoffe bis zu einem Pegel 10 gefüllt sein; in vielen Fällen sind die Wandungen des Bohrlochs 6 mit einem Bohrschlammkuchen 12 überzogen.

Die Sonde 2 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches, druckbeständiges Gehäuse 14, welches ζ. Β. ίο aus Stahl besteht und einen Empfängerteil 11 sowie einen Elektronikteil 13 umfaßt. Die Sonde 2 ist mit einer Dezentrierung in Form eines federnden Arms 15 versehen, welcher eine Platte 16 trägt und eine Seite der Sonde gegen die Bohrlochwandung drückt, um die Einwirkungen der Flüssigkeit in dem Bohrloch zu reduzieren. Die Dezentrierung umfaßt auch eine bekannte Einrichtung zur Bestimmung des Bohrlochdurchmessers, beispielsweise in Form eines Widerstand 17. Da der Bohrlochdurchmesser beim Ausfräsen normalerweise bekannt ist, ergibt die Anzeige des tatsächlichen Bohrlochdurchmessers ein Maß für die Dicke des Bohrschlammkuchens. Diese Messung kann — wie im folgenden noch erläutert — mit den Gammastrahlenmessungen zusammengefaßt werden, um die Einwirkung des Bohrschlammkuchens zu eliminieren und eine zweifelsfreie Anzeige der Formationsdichte zu erzielen. Zusätzlich dient die Durchmesserbestimmung zur Ortung von Vertiefungen oder anderen Unregelmäßigkeiten in der Bohrlochwandung, welche die Dichtebestimmung beeinflussen können. Die Signale des zur Durchmesserbestimmung dienenden Widerstands 17 werden vorzugsweise zur Erdoberfläche mit Hilfe einer Leitung 19 sowie des Kabels 4 übertragen und auf einer Anzeigeeinrichtung 21 für den Bohrlochdurchmesser angezeigt.

Eine verschleißfeste Gleitanlage 18 aus Stahl oder Wolfram ist auf einer Seite der Sonde angebracht, welche an der Bohrlochwandung anliegt, und an ihren Enden vorzugsweise mit einer Abschrägung 20 versehen, um die Bewegung durch das Bohrloch zu erleichtern. Eine Gammastrahlenquelle 22 aus Caesium¹³⁷ oder einer ähnlichen niedrige Energie aufweisenden Strahlungsquelle ist in einem Einschnitt 24 angebracht, welcher durch die Gleitauflage 18 sowie das Gehäuse 14 in dem Empfängerteil 11 der Sonde 2 im wesentlichen senkrecht zu der Sonde 2 verläuft. Die Strahlungsquelle 22 ist vorzugsweise um einen erheblichen Abstand in der Größenordnungvon 1,25 bis 5 cm gegenüber dem äußeren Ende des Einschnitts 24 zurückversetzt. Der Einschnitt ist vorzugswiese mit Abschirmmaterial 26 gefüllt, beispielsweise gesintertem Wolfram, welches für Gammastrahlen im wesentlichen undurchlässig ist, während ein für Gammastrahlen durchlässiges Fenster 28, beispielsweise aus Epoxyharz, von der Strahlungsquelle 22 zu dem äußeren Ende des Einschnitts 24 verläuft. Auf diesem Weg werden die Gammastrahlen der Strahlungsquelle 22 kollimiert und auf den Wandungsteil des Bohrlochs gerichtet, an welchem die Gleitauflage 18 anliegt.

Bei sehr kurzen Abständen zwischen der Strahlungsquelle und einem Empfänger in der Größenordnung von 2,5 cm ist die Intensität der Gammastrahlung direkt abhängig von der Dichte der benachbarten Formationen, vorausgesetzt, daß kein Bohrschlammkuchen vorliegt. Die Dichte ist demnach um so größer, je höher die Zählrate der Strahlung liegt.

Bei derart geringen Abständen ist es jedoch sehr schwierig, den Empfänger gegen Gammastrahlen abzuschirmen, welche unmittelbar von der Strahlungsquelle zu dem Detektor durch die Sonde laufen. Derartige Gammastrahlen ergeben nicht nur keine Information über die Erdformationen, sondern beeinträchtigen lediglich die Meßwerte derjenigen Gammastrahlen, welche die Formationen vorangehend durchsetzten. Bei einer Steigerung des Abstandes zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger ist es möglich, eine bessere Abschirmung zwischen der Quelle und dem Empfänger zu schaffen und damit die Menge der den Empfänger unmittelbar erreichenden Gammastrahlen zu reduzieren. Andererseits sinkt die Empfindlichkeit gegenüber der Dichte bei zunehmendem Abstand bis zu einem Punkt, wo der Empfänger auf die Dichte nicht mehr anspricht. Der Abstand, bei welchem dies zutrifft, wird als »Überbrückungsabstand« bezeichnet. Es wurde gefunden, daß der Überbrückungsabstand ungefähr 7,5 cm beträgt. Wenn der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger über den Überbrückungsabstand hinaus wächst, wird der Empfänger wiederum gegenüber der Dichte empfindlich, wobei die Empfindlichkeit gegenüber der Dichte desto mehr steigt, je mehr der Abstand weiterhin vergrößert wird. Oberhalb des Überbrückungsabstands ist die Zählrate eine umgekehrte Funktion der Dichte, wobei bei steigender Dichte die Zählrate geringer wird. Wenn der Abstand zu groß gemacht wird, ist die Zählrate zu niedrig, um eine statistisch genaue Messung zu ergeben, wenn die Sonde mit einer noch vernünftigen Geschwindigkeit durch das Bohrloch bewegt wird.

Bei Steigerung des Abstands über den Überbrükkungsabstand hinaus wird die Meßtiefe gesteigert; wenn also der Abstand zwischen Strahlungsquelle und Empfänger gesteigert wird, ergibt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit des Empfängers gegenüber Gammastrahlen, welche tiefer in die Formationen eindringen. Wenn sich jedoch Schlamm auf der Bohrlochwandung abgesetzt hat, müssen die Gammastrahlen der Strahlungsquelle durch den Bohrschlammkuchen laufen, um die Formationen zu erreichen, und danach wieder den Bohrschlammkuchen durchsetzen, um den Empfänger zu erreichen. Da die Dichte des Bohrschlammkuchens allgemein verschieden gegenüber derjenigen der Formationen ist, ergibt sich eine Zählrate des Empfängers, welche einem Wert zwischen den Dichten des Bohrschlammkuchens und der dahinter befindlichen Formation entspricht.

Zur Eliminierung des genannten Effekts ist nunmehr der Empfänger 30 nicht sehr weit jenseits des Überbrückungsabstands in einer Stahlkapsel 35 angeordnet, welche austauschbar in einem Einschnitt 36 der Gleitauflage 18 an der Außenseite des Gehäuses 14 durch Schrauben 37 befestigt ist. Der Empfänger 32 ist dagegen in großem Abstand jenseits des Überbrückungsabstands innerhalb des Gehäuses 14 angebracht, um eine kurze Entfernung, etwa 2,5 bis 5 cm, gegenüber der an der Wandung anliegenden Fläche zurückversetzt und mit einem Kollimatorfenster 34 aus für Gammastrahlen durchlässigem Material, beispielsweise Aluminium, Glasfaser oder einem Epoxyharz, versehen, welches durch das Gehäuse 14 und die Gleitauflage 18 verläuft.

Der Empfängerteil 11 des Gehäuses 14 ist mit Gammaabschirmmaterial gefüllt. Gemäß F i g. 1 und 3 ist ein Einschnitt 46 in das Abschirmmaterial

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38 neben der an der Bohrlochwandung anliegenden neten Empfängers zu einem Aufzeichnungsgerät 58 Fläche der Sonde 2 eingeformt, um den Empfänger 32 gegeben, wo die Signale als Funktion der Tiefe aufgesowie das Kollimationsfenster 34 aufzunehmen. Zu- zeichnet werden. In ähnlicher Weise laufen die Signale sätzlich ist ein durch den Empfängerteil 11 der des in großem Abstand gegenüber der Strahlungs-Sonde 2 laufender Kanal 40 vorgesehen, welcher 5 quelle befindlichen Empfängers 32 zu einem Aufgegenüber der Achse der Sonde 2 geneigt verläuft Zeichnungsgerät 60, wo die Signale ebenfalls als Funk- und einen Durchtritt für eine Leitung 42 zur Ver- tion der Tiefe dargestellt werden. Der in geringem bindung des Empfängers 30 mit einer zugeordneten Abstand von der Strahlungsquelle angeordnete Empelektronischen Schaltung 44 bildet. fänger 30 ist vorzugsweise hinsichtlich der Dichte des

Bei der beschriebenen Vorrichtung besitzt der io Bohrschlammkuchens empfindlich, während der in Empfänger 30 eine verhältnismäßig geringe Emp- weitem Abstand von der Strahlungsquelle angebrachte fangsweite und keine Kollimation. Folglich wird der Empfänger 32 in erster Linie auf die Dichte der For-Empf anger 30 in starkem Maß durch Gammastrahlen mation anspricht.

beeinflußt, welche in dem Bohrschlammkuchen ge- In Abwesenheit eines Bohrschlammkuchens zei-

streut werden. Andererseits weist der Empfänger 32 15 gen die Logarithmen der Ansprechsignale der beiden eine wesentlich größere Empfangsweite auf und ist Empfänger 30, 32 eine lineare Beziehung zueinander, kollimiert. Somit wird der Empfänger 32 in erster welche eine Reziprokfunktion der Dichte der Forma-Linie durch Gammastrahlen beeinflußt, welche in tionen ist. Dies geht aus dem Pfeil 62 von F i g. 4 den Formationen gestreut werden, während der Ein- hervor. Wenn ein Bohrschlammkuchen vorliegt, werfluß des Bohrschlammkuchens verringert ist. Durch 20 den die Ansprechsignale der Empfänger 30, 32 durch Zusammenfassung der Signale der Empfänger 30, 32 die Dicke, Zusammensetzung und Dichte des Bohrin einer im folgenden noch zu beschreibenden Weise schlammkuchens beeinflußt. Somit ergibt das Vorwird der Effekt des Bohrschlammkuchens völlig eli- liegen eines Bohrschlammkuchens eine Versetzung miniert und eine richtige Anzeige ermöglicht, welche der aufgetragenen Meßpunkte bei einer vorgegebenen genau und zuverlässig die Dichte der Formationen 25 Formation gegenüber dem Pfeil 62. Wenn die Dichte angibt. des Bohrschlammkuchens geringer als diejenige der

Wenn die Empfänger 30, 32 zu dicht beieinander Formation ist, werden die Meßpunkte gemäß den angeordnet sind, ergeben sich im wesentlichen iden- Pfeilen 64 nach oben rechts versetzt; jeder der Pfeile tische Empfangssignale, wobei der Vorteil der An- 64 stellt die Aufzeichnungskurve für einen Bohrordnung zweier Empfänger beeinträchtigt wird. Wenn 30 schlammkuchen entsprechender Zusammensetzung andererseits die Empfänger zu weit voneinander ent- und Dichte dar. Wenn die Dichte des Bohrschlammfernt angebracht sind, muß entweder der Empfänger kuchens größer als diejenige der Formation ist, wer-30 so dicht an der Strahlungsquelle 22 angebracht den die Meßpunkte gemäß den Pfeilen 66 nach unten sein, daß es schwierig ist, eine angemessene Abschir- links versetzt. Wenn der Bohrschlammkuchen so dick mung gegen direkte Einstrahlung zu schaffen, oder 35 ist, daß Gammastrahlen von der Strahlungsquelle 22 der Empfänger 32 muß so weit von der Quelle 22 insgesamt nicht in die Formation eindringen können, entfernt angebracht sein, daß die Zählrate uner- nähern sich die Kurven entsprechenden Pfeilen 64, wünscht niedrig liegt. Optimale Ergebnisse wurden 66 der durch den Pfeil 62 dargestellten Kurve an den erzielt, wenn der Empfänger 32 von der Strahlungs- Punkten entsprechender Dichte des Bohrschlammquelle 22 einen Abstand von dem Zwei- bis Drei- 40 kuchens an. Bohrschlammkuchen von solcher Dicke fachen des Abstands des Empfängers 30 besitzt. Ins- treten jedoch in der Praxis — wenn überhaupt — besondere liegt der Abstand des Empfängers 30 von selten auf; typischerweise liegt die Dicke von Bohrder Strahlungsquelle 22 vorzugsweise in einem Be- schlammkuchen unterhalb von 3,75 cm.
reich zwischen 12 und 23 cm, wogegen der Empfän- Die Form der jeweiligen Pfeile 64 oder 66, welche

ger 32 vorzugsweise 30 bis 60 cm von der Strahlungs- 45 durch die aufgetragenen Meßpunkte dargestellt sind, quelle 22 entfernt ist. bestimmt sich durch die Zusammensetzung des den

Gemäß F i g. 1 bis 3 ist der Empfänger 30 ein Bohrschlammkuchen bildenden Bohrschlamm sowie Geiger-Müller-Zähler, während der Empfänger 32 durch dessen Dicke. Während die Gammastrahlen ein Szintillationszähler mit einem Szintillationsmate- von der Strahlungsquelle 22 zu den Empfängern 30, rial 48 und einem Fotovervielfacher (Fotomultiplier) so 32 im wesentlichen als Ergebnis einer Comptonstreu-50 ist. Jedoch sind auch andere Gammastrahlenemp- ung gelangen, unterläuft ein wesentlicher Teil der fänger verwendbar. Gammastrahlen fotoelektrische Wechselwirkungen in

Zwischen das Szintillationsmaterial und den Foto- den Formationen und wird in starkem Maß durch die vervielfacher ist eine Abschirmung 55 eingesetzt, Atomordnungszahl des Elements beeinflußt, welches welche für von dem Szintillationsmaterial 48 aus- 55 sie durchlaufen. Da die Gammastrahlen beim Durchgehende Lichtimpulse transparent, für Nuklearstrah- laufen von der Strahlungsquelle zu den Formationen lung dagegen im wesentlichen undurchlässig ist. Blei- und umgekehrt von den Formationen zu den Empglas ist hierfür sehr brauchbar. fängern den Bohrschlammkuchen durchsetzen müs-

Gemäß F i g. 1 werden die Signale des Empfängers sen, hat die chemische Zusammensetzung des Bohr-30 einer elektronischen Schaltung 44 zugeführt, wäh- 60 Schlamms offenbar einen wesentlichen Einfluß insberend die Signale des Empfängers 32 zu einer elektro- sondere auf solche Gammastrahlen, welche keinen nischen Schaltung 52 gelangen. Die Schaltungen 44, fotoelektrischen Wechselwirkungen in dem Bohr-52 dienen zur Verarbeitung der Signale der Empfän- schlammkuchen ausgesetzt sind. Die meisten Bohrger 30, 32 zur Übertragung auf die Erdoberfläche Schlammsorten stellen jedoch industrielle Erzeugnisse bzw. zur Übertragung der verarbeiteten Signale auf 65 dar, deren Zusammensetzung bekannt ist; jedenfalls das Kabel 4. Solche Schaltungen sind bekannt. kann die Zusammensetzung bestimmt werden. Gemäß

An der Erdoberfläche werden die Signale des in Fig. 4 schneiden die Pfeile 64, 66 die unter Vorausgeringem Abstand von der Strahlungsquelle angeord- Setzung eines fehlenden Bohrschlammkuchens aufge-

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nommene Kurve 62 bei einem Wert von 2,7. Dies Gammastrahlen von der Strahlungsquelle 22 zu den

zeigt, daß die wahre Formationsdichte 2,7 beträgt. Empfängern 30, 32 in erster Linie als Ergebnis der

Für jeden anderen Wert der Formationsdichte kann Comptonstreuung verlaufen, werden die Gamma-

eine ähnliche Kurvenschar gezeichnet werden. Somit strahlen teilweise auch infolge von fotoelektrischen

können auf Wunsch mehrere Meßreihen durchgeführt 5 Wechselwirkungen mit den auf der K-Schale der

werden, deren jede die richtige Kurve entsprechend Atome des Bohrschlammkuchens und der Forma-

einem der Pfeile 64, 66 angibt, wobei jede Kurve die tionen befindlichen Elektronen gestreut. Derartige

erforderliche Korrektur für unterschiedliche Dicken fotoelektrische Wechselwirkungen werden im wesent-

des Bohrschlammkuchens einer entsprechenden liehen durch die Dichte nicht beeinflußt, sind jedoch

Dichte und Zusammensetzung angibt. Folglich kann io direkt proportional der Atomordnungszahl der EIe-

durch Auswahl der entsprechenden Meßreihe und mente, mit denen die Gammastrahlen in Wechselwir-

Auftragung des durch die Aufzeichner 58, 60 gelie- kung treten, und umgekehrt proportional der Energie

ferten Datenpunkts schnell und genau die wahre For- der Gammastrahlen. Da die Gammastrahlen als Er-

mationsdichte bestimmt werden. gebnis einer derartigen Wechselwirkung Energie ver-

Die Dicke des Bohrschlammkuchens bestimmt den 15 Heren, unbeschadet von deren Art, folgt, daß beim Ort des aufgetragenen Punktes längs der richtigen Energieabfall der Gammastrahlen der Effekt der Kurve. Wo demnach die Zusammensetzung des Bohr- fotoelektrischen Wechselwirkungen in seiner Bedeuschlamms unbekannt ist, kann die Bohrschlamm- tung zunimmt und die auf die Dichte bezogene Infordicke bestimmt werden, indem die durch die Platte mation, welche durch die infolge des Comptoneffekts 16 ermittelte Durchmesserbestimmung mit dem Bohr- ao gestreuten Gammastrahlen hervorgerufen wird, überlochdurchmesser verglichen wird, welcher aus dem deckt. Für die normalerweise bei Bohrlochmessungen Bohrbericht hervorgeht. Dadurch wird zusammen auftretenden Elemente ergab sich, daß Gammastrahmit der Dichtemessung des Bohrschlammkuchens len mit Energien von etwa 50 keV etwa gleichmäßig seitens der Empfänger 30, 32 allgemein ein Punkt durch den Comptoneffekt und die fotoelektrischen definiert, welcher auf nur einer der Kurven des Bohr- 25 Effekte beeinflußt werden, während bei niedrigerer schlammkuchens liegt, nämlich derjenigen, welche Energie der fotoelektrische Effekt vorherrscht. Inder Zusammensetzung des fraglichen Bohrschlamm- folgedessen kann die Unempfindlichkeit der Empfänkuchens entspricht; damit kann die richtige Kurve ger 30, 32 gegenüber der Zusammensetzung des ermittelt werden. Bohrschlammkuchens und den Formationseffekten

Durch geeignete Auswahl des Abstands und der 30 durch Vorsehen von Filtern 54, 56 für die Empfänger

Empfindlichkeit der Empfänger 30, 32 können die 30 bzw. 32 gesteigert werden, welche vorzugsweise

Empfänger im wesentlichen gegenüber der Zusam- alle Gammastrahlen mit Energien von unter 50 keV

mensetzung des Bohrschlamms und gegenüber For- abschirmen.

mationseffekten unempfindlich gemacht werden. So- Da die Energie der Gammastrahlen exponentiell mit ergibt sich für einen vorgegebenen Abstand zwi- 35 abnimmt, wenn der Abstand von der Strahlungsschen den Empfängern ein bestimmtes Verhältnis der quelle steigt, ist die Intensität der Gammastrahlen von Empfängerempfindlichkeiten, welches optimale Er- niedriger Energie, beispielsweise unter 50 keV, in der gebnisse zeitigt. Der Ausdruck »Empfängerempfind- Nachbarschaft des Empfängers 32 wesentlich größer lichkeit« bedeutet hier das Verhältnis der Empfänger- als die Intensität der Gammastrahlen ähnlicher Enerzählrate zu der Menge von auf den Empfänger fallen- 40 gie in der Nachbarschaft des Empfängers 30. Andeden Gammastrahlen. Für ein vorgegebenes Verhält- rerseits ist die Intensität von Gammastrahlen, welche nis der Empfängerempfindlichkeiten ergibt sich um- durch ein Filter absorbiert werden, durch folgende gekehrt ein besonderer Abstand, welcher optimale Gleichung gegeben:
Ergebnisse zeitigt. Diese Faktoren hängen voneinan- / = / e~f dx
der in umgekehrtem Verhältnis ab, so daß beim Zu- 45 ° '
nehmen des Verhältnisses der Empfängerempfind- wobei I₀ die Intensität der auf das Filter treffenden lichkeiten der Abstand zwischen den Empfängern Gammastrahlen, e die Basis des natürlichen Logarithverkleinert werden muß, und umgekehrt. Der in gro- mus, μ der fotoelektrische Absorbtionskoeffizient des ßetn Abstand befindliche Empfänger soll jedoch ge- Filters für Gammastrahlen von einer durch das Filter maß den vorangehenden Ausführungen von der 50 zu absorbierenden Energie und dx die Dicke des FiI-Strahlungsquelle in einem Abstand gehalten sein, ters ist. Es ergab sich, daß bei den vorangehend erweicher dem Zwei- bis Dreifachen desjenigen des in wähnten Abständen der Empfänger 30, 32 gegenüber geringem Abstand gehaltenen Empfängers entspricht. der Strahlungsquelle das Filter 56 für den in großem Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- Abstand angebrachten Empfänger 32 etwa die zweidung besitzt der in größerem Abstand angebrachte 55 bis dreifache wirksame Absorption des Filters 54 für Empfänger 32 eine Empfindlichkeit, welche um einen den in kurzem Abstand angebrachten Empfänger 30 Faktor 100 bis 1000 über der Empfindlichkeit des aufweisen soll. Bei der bevorzugten Ausführungsform in kurzem Abstand angebrachten Empfängers 30 der Erfindung stellt das Filter 54 für den Empfänger liegt. Für diesen Empfindlichkeitsbereich ergibt sich 30 eine Hülse dar, welche den Empfänger 30 innerein optimales Resultat, wenn der Empfänger 32 von 60 halb der Kapsel 35 umgibt und aus Silber oder Kadder Strahlungsquelle 22 einen Abstand von etwa dem mium mit einer Dicke von etwa 1,75 mm besteht. Im 2,5fachen des Abstands des Empfängers 30 von dei Gegensatz hierzu besteht das Filter 56 für den Emp-Strahlungsquelle aufweist. Vorzugsweise ist der Ab- fänger 32 aus einer Silber- oder Kadmiumscheibe von stand des Empfängers 30 von der Strahlungsquelle etwa 7,5 mm Dicke, welche in dem Fenster 34 außer-22 gleich 18 cm, während derjenige des Empfängers 65 halb einer eine Beschädigung verursachenden Berüh-32 von der Strahlungsquelle 22 einer Entfernung von rung mit der Bohrlochwandung angebracht ist. Gemäß 40 cm entspricht. F i g. 3 ist die Dicke des Druckgehäuses 14 neben dem

Obgleich gemäß den vorangehenden Ausführungen Fenster in einem Punkt 57 reduziert, so daß die foto-

elektrische Absorption durch das Gehäuse zu vernachlässigen ist. Andererseits kann die wirksame Absorption des Gehäuses 14 bestimmt und die Dicke des Filters 56 entsprechend vermindert werden, um den gewünschten Filtereffekt zu erzielen.

Wenn auf diese Weise Gammastrahlen niedriger Energie ausgeschlossen und die günstigen Abstände sowie Empfindlichkeitsverhältnisse für die Empfänger gewählt sind, ergibt sich, daß die logarithmischen Werte bei der Abwesenheit eines Bohrschlammkuchens noch eine lineare Abhängigkeit zueinander aufweisen, wie dies durch den Pfeil 68 in F i g. 5 dargestellt ist. Wenn jedoch ein Bohrschlammkuchen vorliegt, ergibt sich, daß die zu dem Bohrschlammkuchen gehörigen Kurven für jede gegebene Formationsdichte im wesentlichen für fast alle Zusammensetzungen und Dicken des Bohrschlammkuchens in im wesentlichen gleicher Weise verlaufen; die Dicken sind hierbei leicht zu bestimmen und schneiden den Pfeil 68 für fehlenden Bohrschlammkuchen in einem ao Winkel von etwa 45°, wie dies durch die Pfeile 70, 71 angegeben ist.

Entsprechend kann angenommen werden, daß die Kurven 70, 71 des Bohrschlammkuchens für jeden gegebenen Wert der Formationsdichte gleich einer geraden Linie sind, wie dies durch die gestrichelte Linie 72 dargestellt ist, welche die auf einen fehlenden Bohrschlammkuchen bezogene Gerade 68 in einem Winkel von 45° schneidet. Danach ist eine recht gute Annäherung an den Wert der Formationsdichte erzielbar, indem ein Punkt, beispielsweise ein Punkt 74, von dem durch die Aufzeichner 58/ 60 des Geräts nach Fig. 1 ermittelten Wert abgetragen und eine Gerade entsprechend der gestrichelten Linie 76 eingezeichnet wird, weiche durch den aufgetragenen Punkt 74 läuft und sich parallel zu der gestrichelten Linie 72 erstreckt. Der Punkt, wo die Gerade 76 den Pfeil 68 schneidet, gibt die Dichte der Formation an, welche durch den aufgetragenen Punkt 74 bestimmt ist.

Für die echten Unteransprüche 2 bis 6, deren Gegenstände zum Teil — wenn auch in anderem Zusammenhang — bekannt sind, wird Schutz nur in Verbindung mit dem Patentanspruch 1 begehrt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dichtebestimmung bohrlochdurchteufter Erdformationen mit einem in das Bohrloch absenkbaren Gehäuse, welches an die Bohrlochwandung anlegbar ist und eine Strahlungsquelle für Gammastrahlung zur Bestrahlung der Erdformationen durch den Teil des Gehäuses, der der Bohrlochwandung anliegt, sowie zwei Gammastrahlenempfänger aufweist, die beide oberhalb oder unterhalb der Strahlungsquelle angebracht sind, für den Empfang von Gammastrahlen, die durch die der Bohrlochwandung anliegenden Abschnitte des Gehäuses zurückkehrt, das ferner eine Gammastrahlenabschirmung zwischen der Strahlungsquelle und den Empfängern aufweist, die die Strahlungsquelle sowie die Empfänger mit Ausnahme von öffnungen an dem der Bohrlochwandung anliegenden Wandungsabschnitt umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Empfänger (30) um einen vorbestimmten Abstand von der Quelle (22) getrennt ist, welcher größer ist als der »Überbrükkungsabstand«, der diejenige Entfernung eines Gammastrahlenempfängers von der Strahlungsquelle ist, bei der der Empfänger eine von der Formationsdichte unabhängige Zählrate besitzt, und daß der zweite Empfänger (32) um einen zwei- bis dreimal größeren Abstand als der erste von der Quelle getrennt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Empfänger (30) 12 bis 24 cm und der zweite Empfänger (32) 30 bis 60 cm von der Quelle (22) entfernt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Empfänger (30) 18 cm und der zweite (32) 40 cm von der Quelle (22) entfernt ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Empfänger (32) eine Empfindlichkeit besitzt, welche 100- bis lOOOfach größer als die Empfindlichkeit des ersten Empfängers (30) ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch für Gammastrahlen mit unter 50 keV liegenden Energien undurchlässige Filter (54, 56) zwischen der Bohrlochwandung bzw. dem Bohrschlammkuchen (12) und den Empfängern (30, 34).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Gammastrahlenempfänger, der ein Szintillationselement und einen Fotovervielfacher umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschirmung (55) aus Bleiglas zwischen das Szintillationselement und den Fotovervielfacher eingesetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen