DE19524119A1 - Sonde zur strahlungstechnischen Bestimmung der Dichte von Gestein in Bohrlöchern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde, die in Bohrlöcher eingeführt wird und zur Bestimmung der Dichte des vorzugsweise aus Gestein bestehenden Wandmate­ rials des Bohrloches mittels Gammastrahlung dient.

Es ist bekannt, zur Bestimmung der Dichte von Gesteinen sowie zur Untersu­ chung von lithologischen Formationen in Bohrlöchern Sonden einzusetzen, die eine definierte Gammastrahlung aussenden und die Intensität der vom Wandma­ terial des Bohrloches gestreuten Gammastrahlung erfassen. Anhand der Absorb­ tion der ausgesandten Gammastrahlung wird auf die Dichte des Wandmaterials des Bohrloches bzw. auf die lithologische Formation geschlossen. Gegebenenfalls wird hierzu auf Vergleichsmessungen mit bekannten Materialien zurückgegriffen. Das Verfahren ist unter der Bezeichnung Gamma-Gamma-Log bekannt.

Als Gammastrahlungsquelle wurden in der Vergangenheit üblicherweise natürlich strahlende Materialien, wie beispielsweise ¹³⁷Cs, verwendet (vgl. DE-PS 33 12 883 oder US-PS 4 845 359). Die hohen sicherheitstechnischen Anforderungen, die beim Umgang mit natürlichen Strahlungsquellen einzuhalten sind, verursachen in zunehmendem Maße unvertretbar hohe Kosten. Hinzu kommt, daß ein Verlust einer derartigen natürlichen Strahlungsquelle im Bohrloch zu enormen unkalku­ lierbaren Kosten und Risiken für Bergungsarbeiten führen kann.

Es wurde deshalb bereits, wie in der US-PS 5 122 662 beschrieben, versucht, als Gammastrahlungsquelle induktive Ringbeschleuniger (Betatron) einzusetzen. Hierbei werden Elektronen in einer Kreisbahn zyklisch beschleunigt und nach Erreichen einer bestimmten Energie emittiert und in Gammastrahlung umgewan­ delt. Die Beschleunigung erfolgt mittels elektrischer Felder. Um die Elektronen während des Beschleunigungsprozesses auf einer kreis- bzw. spiralförmigen Bahn zu halten und so mehrere Beschleunigungszyklen zu realisieren sind starke Magnetfelder erforderlich, die über Elektromagnete erzeugt werden. Die Elektro­ nen befinden sich relativ lange im Beschleuniger bis sie eine ausreichende Beschleunigung erfahren haben. Damit es während dieser Zeit nicht zu Wechsel­ wirkungen der Elektronen mit Materie im Beschleuniger kommt, werden an die Qualität des Vakuums im Beschleuniger hohe Anforderungen gestellt. Insgesamt verursachen induktive Ringbeschleuniger aufgrund ihres komplizierten Aufbaues und hoher energetischer und vakuumtechnischer Anforderungen beim Betreiben hohen Kosten. Hinzu kommt, daß sie bei ausreichender Gammastrahlungsinten­ sität in ihren Abmessungen, insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers, nicht entsprechend klein gehalten werden können, so daß sie bei Bohrungen mit klei­ nen Durchmessern nur begrenzt anwendbar sind. Wenn ihre Anwendung bei klei­ nen Bohrungsdurchmessern überhaupt möglich ist, können entweder nur Meßer­ gebnisse mit geringer statistischer Genauigkeit erreicht werden oder die Messun­ gen erfordern sehr lange Meßzeiten. Außerdem ist es schwierig die infolge des hohen Energieeinsatzes zur Erzeugung der Magnetfelder im Beschleuniger entste­ hende Verlustwärme abzuführen.

Ziel der Erfindung ist eine Sonde zur strahlungstechnischen Bestimmung der Dich­ te des vorzugsweise aus Gestein bestehenden Wandmaterials von Bohrlöchern, die ohne hohen sicherheitstechnischen Aufwand und bei Vermeidung eines hohen Gefahrenpotentials ein breites Anwendungsgebiet aufweist und sich durch geringe Herstellungs- und Betriebskosten auszeichnet.

Es besteht die Aufgabe, eine Sonde zu entwickeln, die ohne natürlich strahlende Materialien auskommt, einen einfachen Aufbau mit nur geringen Querabmessun­ gen aufweist, im Betrieb vergleichsweise nur geringe elektrische Energiemengen benötigt und keine hohen vakuumtechnischen Anforderungen stellt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 enthaltenen technischen Lehre gelöst.

Der lineare Impulselektronenbeschleuniger weist bevorzugt zur Generierung der für die Erzeugung der Gammastrahlung notwendigen Hochspannungsimpulse einen Teslatransformator, auf der primärseitig mit einem kapazitiven Energiespei­ cher und einem Entlader verbunden ist, wobei der kapazitive Energiespeicher seinerseits mit einer Hochspannungsladeeinrichtung in Verbindung steht. Der hochspannungsseitige Ausgang des Teslatransformators führt zu einer Anode, der gegenüber in Längsrichtung der Sonde eine beheizbare Kathode angeordnet ist. Die Hochspannungsladeeinrichtung lädt den kapazitiven Energiespeicher der bei Erreichen eines bestimmten Ladezustandes entladen wird und in der Primär­ wicklung des Teslatransformators ein hohes δ|/δt erzeugt. Der dadurch im Tesla­ transformatorgenerierte zwischen Anode und Kathode anliegende Hochspan­ nungsimpuls reißt aus der beheizten Kathode Elektronen und beschleunigt sie zur Anode, wo sie einschlagen und durch Abbremsung einen Gammastrahlungsimpuls erzeugen. Bevorzugt weist die der Kathode zugewandte Fläche der Anode einen Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Sonde auf. Damit wird erreicht, daß der Hauptteil des erzeugten intensiven Gammastrahlungsimpulses zur Bohrlochwan­ dung gelenkt wird. Er trifft hier auf das die Bohrlochwandung bildende Material und wird von diesem gestreut bzw. teilweise absorbiert. Ein geringer Teil des Gamma­ strahlungsimpulses gelangt direkt zu einem Kontrolldetektor, der einen der Inten­ sität des Gammastrahlungsimpulses proportionalen Kontrollmeßwert generiert. Der von der Gammastrahlungsquelle geschirmt angeordnete Hauptdetektor regi­ striert die Intensität des gestreuten Strahlungsimpulses. Die Ausgänge beider Detektoren sind mit je einem Eingang eines Dividierers verbunden. Damit wird erreicht, daß Intensitätsschwankungen der Gammastrahlungsimpulse das Meßer­ gebnis nicht beeinflussen. Gleiches gilt für temperatur- oder druckbedingte Kennli­ nienschwankungen der Detektoreinheit, die je nach Tiefe der Bohrung und den geologischen Gegebenheiten sehr beträchtlich sein können. Der Dividierer kann entweder innerhalb der Sonde angeordnet sein, er kann sich aber auch außerhalb des Bohrloches befinden. Denkbar ist auch, daß der Dividierer durch eine äquiva­ lent einem Dividierer wirkende Software in einem Auswerterechner simuliert wird.

Vorteilhafterweise wird der Kontrolldetektor innerhalb der Abschirmung, die den Gammastrahlungsgenerator von der Detektoreinheit trennt, so angeordnet, daß ein dem generierten Gammastrahlungsimpuls proportionaler Anteil der Gamma­ strahlung den Kontrolldetektor erreicht. Dies läßt sich günstig dadurch erreichen daß die Wandstärke der Abschirmung in dem Bereich in dem der Kontrolldetek­ tor angeordnet ist, so bemessen wird, daß in diesem Bereich keine vollständige Abschirmung erreicht wird.

Desweiteren hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, als Detektoren Szintil­ lationszähler zu verwenden, da sie sich durch eine hohe energetische und zeitli­ che Auflösung auszeichnen. Zur Vermeidung von Meßfehlern, die auf Schwankun­ gen der Versorgungsspannung der Detektoren zurückzuführen sind, ist es günstig, beide Detektoren über einen Spannungsteiler von einer Spannungsquelle zu spei­ sen. Eventuelle auf Schwankungen der Versorgungsspannung zurückzuführende Meßfehler werden bei der sich anschließenden Division von Kontrollmeßwert und Hauptmeßwert kompensiert.

Die erfindungsgemäße Sonde besitzt, verglichen mit Sonden, die Ringelektronen­ beschleuniger als Gammastrahlungsquelle enthalten, nur sehr geringe Querab­ messungen und ist somit auch bei kleinen Bohrlochdurchmessern problemlos anwendbar.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläu­ tertwerden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfin­ dungsgemäßen Sonde.

Wie in der Figur gezeigt, besteht die Sonde aus einem Gammastrahlungs­ generator 1 und einer Detektoreinheit 2, die durch eine Bleiabschirmung 3 voneinander getrennt sind.

Der Gammastrahlungsgenerator 1 weist als wesentliche Baugruppen ein Hoch­ spannungsladeteil 4, einen Energiespeicher 5, der einen Kondensator 5.1 und einen Entlader 5.2 enthält, einen Teslatransformator 6 und eine Anode 7 sowie eine beheizbare Kathode 8 enthaltende Elektronenbeschleunigungseinheit 9 auf Zwischen der Anode 7 und der beheizbaren Kathode 8 ist eine Steuerelektrode 10 angeordnet. Oberhalb der Kathode 8 befindet sich eine Vakuumpumpe 11, die innerhalb der Elektronenbeschleunigungseinheit 9 ein Vakuum im Bereich von 10^-5 bis 10^-6 mm Hg erzeugt.

Die Detektoreinheit 2 besteht aus einem Hauptszintillationszähler 12, einem Kontrollszintillationszähler 13 und einer Hochspannungsversorgung 14 für die Szin­ tillationszähler 12 und 13.

Der Gammastrahlungsgenerator 1 arbeitet im Impulsbetrieb. Seine Funktion kann wie folgt beschrieben werden:
Mit Hilfe des Hochspannungsladeteiles 4 wird ein Kondensator 5.1 aufgeladen und bei Erreichen eines vorbestimmten Ladezustandes (10 kV) mittels eines Entla­ ders 5.2 entladen. Der Kondensator 5.1 ist hochspannungsseitig mit der Primär­ wicklung des Teslatransformators 6 verbunden. Infolge des beim Entladen des Kondensators 5.1 auftretenden hohen δ|/δt wird im Teslatransformator 6 ein Span­ nungsimpuls von etwa 1 MV induziert. Die Zeitdauer dieses Spannungsimpulses kann je nach Konfiguration zwischen 30 ns und 1000 ns liegen. Dieser zwischen Anode 7 und beheizter Kathode 8 wirkende Spannungsimpuls reißt Elektronen aus der beheizten Kathode 8 und beschleunigt sie zur Anode 7, wo sie einschlagen und durch Abbremsung ein Gammastrahlungsimpuls entsteht. Je nach Länge der Entladung kann die Stromstärke zwischen Kathode 8 und Anode 7 zwischen 2 und 30 A betragen, was einer Anzahl von bis zu 10¹³ Elektronen je Entladung entspricht. Die dabei freigesetzte Gammastrahlungsmenge kann bis zu 1000 mCi betragen. Sie liegt damit wesentlich höher als bei herkömmlichen Sonden mit vergleichbaren Abmaßen.

Die Steuerelektrode 10 hat ein Potential von -5 kV. Sie dient dazu, die Emission von Elektronen aus der beheizten Kathode 8 solange zu verhindern, bis zwischen Anode 7 und beheizter Kathode 8 eine vorbestimmte Sollspannung aufgebaut ist. Dies bewirkt eine Unterdrückung niederenergetischer Elektronen und reichert das Spektrum der entstehenden Strahlung im Bereich höherer Energien an. Die der Kathode 8 zugewandte Fläche der Anode 7 weist einen Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Sonde auf. Dies bewirkt, daß der Hauptteil des entstehen­ den Gammastrahlungsimpulses zur Bohrlochwandung hin freigesetzt wird. Insbe­ sondere wenn bei größeren oder inhomogenen Bohrlöchern die Sonde an die Bohrlochwand gedrückt wird, werden damit Störungen infolge Streuungen in der Bohrflüssigkeit vermieden.

Die zur Bohrlochwandung hin freigesetzte Gammastrahlung wird im umgebenden Material, vorzugsweise Gestein, gestreut und teilweise auch absorbiert. Insgesamt wird sie proportional zur Materialdichte geschwächt. Der vom Gammastrahlungs­ generator geschirmt angeordnete Hauptszintillationszähler 12 erfaßt den Streu­ strahlungsimpuls. Der in der Bleiabschirmung angeordnete Kontrollszintillations­ zähler 13 erfaßt ausschließlich einen Teil der Gammastrahlung, die direkt vom Gammastrahlungsgenerator 1 ausgesandt wurde. Er ist innerhalb der Bleiabschir­ mung 3 so angeordnet, daß Streustrahlungsanteile von ihm nicht erfaßt werden. Die Größe des erfaßten Gammastrahlungsanteiles richtet sich nach der Stärke der Bleischicht, die in Richtung zum Gammastrahlungsgenerator vor dem Kontrollszin­ tillationszähler 13 verbleibt. Der Kontrollszintillationszähler 13 liefert bei jedem Gammastrahlungsimpuls einen Meßwert, der proportional der Intensität des Impulses ist. Die Meßwerte von Hauptszintillationszähler 12 und Kontrollszintillati­ onszähler 13 werden einem Dividierer 15 aufgegeben. Der Quotient aus diesen Meßwerten ist die zur Ermittlung der Dichte des Wandmaterials des Bohrloches notwendige Größe. Der Dividierer 15 ist bei der beschriebenen Ausführung außerhalb des Bohrloches angeordnet.

Durch die Verwendung eines Kontrollszintillationszählers 13 werden einerseits Intensitätsschwankungen der vom Gammastrahlungsgenerator 1 generierten Gammastrahlung kompensiert, andererseits werden damit aber auch äußere Einflüsse, denen das gesamte Detektorsystem ausgesetzt ist (z. B. Temperatur­ schwankungen, Druckschwankungen) über weite Bereiche hin kompensiert. Szitillationszähler verhalten sich über weite Bereiche relativ linear Schwankungen in der Spannungsversorgung der Szintillationszähler 12 und 13 können bei der beschriebenen Anordnung weitgehend dadurch kompensiert werden, daß beide Zähler von einer Spannungsquelle 14 versorgt werden. Die erfindungsgemäße Sonde ermöglicht es, insgesamt statistische und systemati­ sche Fehler besser zu erfassen bzw. direkt zu kompensieren. Durch die hohe Intensität der Gammastrahlungsimpulse kann die Geschwindigkeit des Meßvor­ ganges erhöht werden. Ebenso bleiben Einflüsse, die von einer natürlichen Gammastrahlung des Umgebungsmaterials herrühren, weitgehend wirkungslos.

Claims (8)

1. Sonde zur strahlungstechnischen Bestimmung der Dichte des vorzugsweise aus Gestein bestehenden Wandmaterials von Bohrlöchern, bestehend aus einem Gammastrahlungsgenerator und einer Detektoreinheit, die durch eine Abschir­ mung voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gammastrahlungsgenerator (1) als linearer Impulselektronenbeschleu­ niger ausgeführt ist, die Detektoreinheit (2) zwei Detektoren (12 und 13) aufweist, von denen einer als Hauptdetektor (12) so angeordnet ist, daß er die vom das Bohrloch umgebenden Material gestreute Strahlung erfaßt und der andere als Kontrolldetektor (13) so angeordnet ist, daß er nur direkt einen defi­ nierten Anteil der vom Gammastrahlungsgenerator erzeugten Strahlung erfaßt, wobei die Ausgänge beider Detektoren (12 und 13) mit je einem Eingang eines Dividierers (15) verbunden sind.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dividierer (15) innerhalb der Sonde angeordnet ist.

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dividierer (15) außerhalb des Bohrloches angeordnet ist.

4. Sonde nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontrolldetektor (13) innerhalb der Abschirmung (3) angeordnet ist.

5. Sonde nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoren (12 und 13) Szintillationszähler verwendet werden.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Szinfillationszähler (12 und 13) über einen Spannungsteiler mit einer Spannungsquelle (14) verbunden sind.

7. Sonde nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Impulselektronenbeschleuniger einen mit einem Hochspan­ nungsladeteil (4) verbundenen kapazitiven Energiespeicher (5.1) aufweist, dessen Ausgang mit der Primärwicklung eines Teslatransformators (6) verbun­ den ist, daß die Sekundärwicklung des Teslatransformators (6) mit einer Anode (7) verbunden ist, daß in Richtung der Längsachse der Sonde gegenüber der Anode (7) eine beheizbare Kathode (8) angeordnet ist, und daß die zur Kathode (8) weisende Fläche der Anode (7) einen Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Sonde aufweist.

8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Längsachse der Sonde zwischen Anode (7) und Kathode (8) eine Steuerelektrode (10) angeordnet ist.