DE19524119C2 - Sonde zur strahlungstechnischen Bestimmung der Dichte des Wandmaterials von 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 ausgesannten 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 überwiegend 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.

In der GB 1 555 153 wird eine Sonde zur Bestimmung der Dichte des Gesteins in Bohrlöchern beschrieben, die einen als linearen Impulselektronenbeschleuniger ausgeführten Gammastrahlungsgenerator sowie eine entsprechende Detektor­ einheit aufweist. Die Beschleunigereinheit besteht dabei aus gekoppelten, exakt zu kalibrierenden Hochfrequenzspulen, die ein Beschleunigungsfeld aufbauen, innerhalb dessen die Elektronenbeschleunigung erfolgt. Nachteilig hierbei ist, daß derartige Beschleuniger zu einem weit gefächerten Spektrum an beschleunigten Elektronen führen. In der Regel weist nur ein sehr geringer Bruchteil der beschleu­ nigten Elektronen (weit weniger als 1%) die theoretisch mögliche Energie (10-100 MeV) auf. Um Dichtemessungen an Materialien, deren Dichte deutlich über der von Wasser liegt, durchführen zu können, ist es aber erforderlich, daß mehr als ein Milliarde Elektronen pro Impuls vorhanden sind, die eine hinreichen­ de Energie (< 1 MeV) aufweisen. Weitere Nachteile der beschriebenen Sonde bestehen in ihrem komplizierten mechanischen Aufbau, der Notwendigkeit einer exakten Kalibrierung der einzelnen Spulen der Beschleunigereinheit sowie, bedingt durch einen schlechten Wirkungsgrad der Beschleunigung, einem hohen Energieverbrauch. Insbesondere infolge des hohen Energieverbrauches wird es beider Messung in engen Bohrlöchern, die bei größeren Tiefen ohnehin schon erhöhte Temperaturen aufweisen, zu hohen thermischen Belastungen der Sonde kommen, was unter anderem letztlich wieder erhöhte Probleme hinsichtlich der Kalibrierung verursacht. Die Abführung der entstehenden Verlustwärme wird in jedem Fall mit hohen Aufwendungen verbunden sein.

In der US-PS 5 122 662 ist der Einsatz eines induktiven Ringbeschleunigers (Betatron) als Gammastrahlungsquelle beschrieben. Hierbei werden Elektronen in einer Kreis­ bahn zyklisch beschleunigt und nach Erreichen einer bestimmten Energie emittiert und in Gammastrahlung umgewandelt. Die Beschleunigung erfolgt mittels elektri­ scher 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 Elektronen befinden sich relativ lange im Beschleuniger, bis sie eine ausreichende Beschleunigung erfahren haben. Damit es während dieser Zeit nicht zu Wechselwirkungen der Elektronen mit Materie im Beschleuniger kommt, werden an die Qualität des Vakuums im Beschleuniger hohe Anforderun­ gen gestellt. Insgesamt verursachen induktive Ringbeschleuniger aufgrund ihres komplizierten Aufbaues und hoher energetischer und vakuumtechnischer Anfor­ derungen beim Betreiben hohe Kosten. Hinzu kommt, daß sie bei ausreichender Gammastrahlungsintensität in ihren Abmessungen, insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers, nicht entsprechend kleingehalten werden können, so daß sie bei Bohrungen mit kleinen Durchmessern nur begrenzt anwendbar sind. Wenn ihre Anwendung bei kleinen Bohrungsdurchmessern überhaupt möglich ist, können entweder nur Meßergebnisse mit geringer statistischer Genauigkeit erreicht werden, oder die Messungen erfordern sehr lange Meßzeiten. Außerdem ist es hier ebensfalls schwierig und mit hohen Aufwendungen verbunden, die infolge des hohen Energieeinsatzes zur Erzeugung der Magnetfelder im Beschleuniger entstehende 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 zur Generierung der für die Erzeugung der Gammastrahlung notwendigen Hochspannungsimpulse einen Teslatransformator auf, der primärseitig mit einem kapazitiven Energiespeicher und einem Entlader verbunden ist, wobei der kapazitive Energiespeicher seiner­ seits mit einer Hochspannungsladeeinrichtung in Verbindung steht. Der hochspan­ nungsseitige Ausgang des Teslatransformators führt zu einer Anode, der gegenü­ ber 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 δl/δt erzeugt. Der dadurch im Tesla­ transformator generierte, 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 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 tert werden. 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 δl/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 Kontrollszintilla­ tionszähler 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. Szitillationszählerverhalten 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 (2)

1. Sonde zur strahlungstechnischen Bestimmung der Dichte des vorzugsweise aus Gestein bestehenden Wandmaterials von Bohrlöchern, bestehend aus einem linearen Impulselektronenbeschleuniger als Gammastrahlungsgenerator und einer einen Haupt- und einen Kontrolldetektor aufweisenden Detektoreinheit sowie einem Dividierer, wobei der Hauptdetektor so angeordnet ist, daß er die vom das Bohrloch umgebenden Material gestreute Strahlung erfaßt und der Kontrolldetektor so angeordnet ist, daß er nur direkt einen definierten Anteil der vom Gammastrahlungsgenerator erzeugten Strahlung erfaßt und die Ausgänge beider Detektoren mit je einem Eingang des Dividierers verbunden sind und Gammastrahlungsgenerator und Detektoreinheit durch eine Abschir­ mung voneinander getrennt sind, 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) und dazwischen eine Steuerelek­ trode (10) angeordnet ist und daß die zur Kathode (8) weisende Fläche der Anode (7) einen Winkel von ca. 45° zur Längsachse der Sonde aufweist.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontrolldetektor (13) innerhalb der Abschirmung (3) so angeordnet ist, daß ihn nur ein dem generierten Gammastrahlungsimpuls proportionaler Anteil der Gammastrahlung erreicht.