DE2140342A1 - Neutronenmeßvorrichtung zur Erforschung von Erdformationen - Google Patents

Description

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BIPL.-ING. H. MARSCH * düssbldohp,

_,_ IONDEMANNSTRASSE 81

DIPPING. K. SPARING postfach *o*7 PATENTANWÄLTE TKtBFON (OSlU 67 2248

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Firma Soeiete de Prospection Electrique Schlumberger, 42 rue Saint Dominique, Paris 7

NEUTRONENMESSVORRICHTUNG ZUR ERFORSCHUNG VQI? ERDFORMATIONEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erforschen von Erdformationen, in welche ein Bohrloch eingebracht ist, das wenigstens an einem Teil seiner Wand einen Schlammkuchen aufweist, mit einer Einrichtung zur Ableitung eines Signales, welches für die Diffusion von Neutronen einer relativ hohen Anfangs energie durch die Formation und den Schlammkuchen repräsentativ ist.

Daten über die Porosität oder den Wasserstoffgehalt einer Erdformation ergeben für die Ölindustrie häufig eine Information über die mögliehe Kohlenwasserstofferzeugung, die von einem Bohrloch erwartet werden kann. Im Idealfall können derartige Daten mittels einer "Sonde" oder eines Aufzeichnungsgerätes erhalten werden, welches in das Bohrloch eingelassen wird. In dem Gerät emittiert eine Quelle Neutronen, welche sich durch die anliegende Formation verteilen. Diese Neutronen verlieren Energie als Folge von Neutronenwechselwirkungen oder Kollisionen mit den Atomkernen von den die Formation bildenden Materialien. Diese Energieverluste sind zu einem wesentlichen Teil ein Spiegelbild der relativen Porosität und des scheinbaren Überflusses an Wasserstoff in der untersuchten Formation.

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Einige dieser Energien mit niedrigerem Energieniveau finden nach einer Anzahl von statistisch verteilten Zusammenstößen ihren Weg zu dem Aufzeichnungsgerät zurück und werden in einem Neutronendetector registriert, welcher vertikal zu der emittierenden Quelle angeordnet ist. Falls störende Einflüsse fehlen, ist das Detectorsignal ein Maß für die Porosität der Srdformation. Indessen gibt es Faktoren, welche diese grundlegende Messung beeinträchtigen können. Beispielsweise wird die räumliche Neutronenverteilung häufig durch Strömungsmittel und Schlammengen beeinträchtigt, welche zur Regelung des Druckes im Bohrloch und zum Herauswaschen der Bohrmassen verwendet werden»

Der hydrostatische Schlammdruck im Bohrloch ist etwas größer als der natürliche Druck in der Formation. Diese Druckdifferenz verhindert nicht nur, daß Strömungsmittel aus der Formation in das Bohrloch abgegeben werden, sondern bewirkt auch, daß die flüssigen Bestandteile im Schlamm in die Formation einsickern und einen Film oder einen Rückstand aus Feststoffen an der Wand des Bohrloches ablagern* Dieser Rückstand oder Schlammkuchen beeinträchtigt die räumliche Verteilung der Neutronen mit niedrigem Energieniveau in einem Ausmaß, welches häufig die Eigenschaften der Formation verdeckt und damit die Geltung der Neutronenaufzeichnung herabsetzt.

Der Erfindung liegt somit in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine Neutronenmessvorrichtung zur Erforschung von Erdformationen zu schaffen, bei welcher die Meßergebnisse nicht durch 3?eststoffrückstände bzw. Schlammkuohen beeinträchtigt werden.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen G-attung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine zweite Vorrichtung zur Abgabe eines zweiten Signales, das in

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erster Linie die Diffusion von Neutronen durch den Schlammkuchen angibt, welche anfänglich eine niedrigere Energie aufweisen als die vorgenannten Neutronen und Anzeigen von wenigstens einer Formations- oder Schlammkucheneigenschaft ergibt. Durch den Zusatz einer Neutronen-Hilfsquelle und eines Detectors in einem Neutronenaufzeichnungsgerät wird eine Korrektur der Schlammkuchenverfalsehung erreicht. Die zusätzliche Quelle emittiert dabei Neutronen einer niedrigen Energie, um die Wahrscheinlichkeit für Wechselwirkungen der Neutronen in dem Schlammkuchen zu erhöhen» Beispielsweise emittiert eine in diesem Zusammenhang geeignete Quelle Neutronen, welche eine Bremslänge in der Größenordnung der Dicke eines typischen Schlammkuchens oder eine Bremslänge aufweisen, welche merklich geringer als die Bremslänge der von der ersten Quelle emittierten Neutronen ist. Da die Bremslänge der Neutronen der ersten Quelle in den meisten Formationen etwa 10 bis 30 cm ist, gibt eine geeignete Hilfsquelle Neutronen mit einer Bremslänge von etwa 3 bis 10 cm - je nach der Beschaffenheit des Schlammkuchens ab. Um die Qualität der Schlammkuchenbeobachtung zu verbessern, ist der Detector bezüglich der zusätzlichen Quelle derart angeordnet, daß er fast ausschließlich auf solche Neutronen anspricht, welche von dieser Quelle emittiert werden»

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung spricht der Hilfsdetector nur auf epithermale Neutronen an, welche also Energieniveaus haben, die größer als die durchschnittliche thermische kinetische Energie von Molekülen in dem Ausbreitungsffledium ist. Diese Energiebegrenzung wird vorgesehen, da Neutronen, welche sich in einem thermischen Gleichgewicht befinden, durch unwesentliche Eigenschaften des Schlammkuchens

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statt durch dessen signifikante Eigenschaften, wie beispielsweise die Schichtdicke und Porosität beeinträchtigt werden.

Quellen niedriger Neutronenenergie, welche für die Erfindung geeignet sind, können durch Reaktionen von Lithium auf die natürlicher Weise von Plutonium emittierten Alphateilchen und von Beryllium, auf von Antimon emittierte Photonen erhalten werden. Diese Kombinationen erzeugen Neutronen mit einer durchschnittlichen Energie von etwa 240 keV, und Photoneutronen von etwa 25 keV. Diese Energien sind so gering, daß die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung mit dem sehr nahe an der Bohrlochwandung liegenden Material recht hoch ist. Im Gegensatz hierzu haben die herkömmlicherweise als Hauptquelle zur Erfassung der Erdformation verwendeten Neutronen eine durchschnittliche Energie von etwa 3 bis 4 MeV. Durch die Wahl einer Quelle niedriger Energie und die dadurch bedingte Begrenzung der Eindringtiefe der Neutronen in den Schlammkuchen und dessen unmittelbare Umgebung ist die Anzahl der epithermalen Neutronen aus dieser Quelle, welche ihren Weg zu dem Hilfsdetector zurückfinden, allgemein ein Maß von signifikanten Merkmalen des Schlammkuchens.

Die Erfindung kann weiterhin durch eine Schaltung ausgestaltet werden, welche selbsttätig Signale von dem Neutronen-Hilfsdetector und die Signale von einem anderen Detector oder Detectoren kombiniert, welche während des gleichen oder eines anderen Registrierdurchganges erhalten werden. Vorzugsweise setzt diese Schaltung alle Signale in ein Ausgangssignal um, welches auf die Porosität oder einige andere nützliche Parameter über die Erdformation bezogen sind.

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Der Hilfsdetector für die epithermalen Neutronen und die Neutronenquelle befinden sich" relativ nahe an dem Gehäuse des Aufzeichnungsgerätes. In dem Gehäuse oder in einem anderen Seitenwandansatz, der an dem selben Gerät befestigt sein kann, befindet sich eine Neutronenquelle mit wesentlich höherer durchschnittlicher Energie (beispielsweise Amerikanisch-"Beryllium oder Plutonium-Beryllium) etwa 38 cm oder weiter von dem Haupt-Neutronendetector entfernt. Diese letzte Quelle und die Detectorkombination erlauben es, sowohl die Formation als auch den Schlammkuchen zu erforschen. Das Signal von dem der Neutronenquelle hoher Energie zugeordneten Detector ist repräsentativ für den Schlammkuchen und die Formation, während das Signal des Hilfsdetectors in erster Linie den Schlammkuchen charakterisiert..Das Berechnüngssystern stellt die Signale von diesen beiden Detectoren einander gegenüber, um die Schlammkucheneffekte auszuscheiden und dadurch ein Ausgangssignal ab== zugeben, welches näher auf die tatsächliche Porosität der Formation bezogen ist als das Ausgangssignal des Hauptdetectors alleine.

Um den Wirkungsgrad bei der Handhabung von Neutronen, insbesondere bei schwierigen Feldbedingungen, zu verbessern, können die beiden Quellen für Neutronenenergie, welche die Erfindung kennzeichnen, in einer Kapsel vorgesehen werden. Auf diese Weise braucht man auch nicht zwei einzelne Neutronenquellen in dem Feld zu handhaben und dadurch wird im wesentlichen die Wahrscheinlishkeit halbiert, daß aus einer zu langen Bestrahlung ein Schaden entsteht. Auch gestattet diese Anordnung eine Herabsetzung der Länge des Seitenwandansatzes, so daß dieses Ansatzstück der Oberfläche der Bohrlochwandung dichter folgsn kann.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Pig. 1 ein Schemadiagramm eines Gerätes zur Datenerfassung nach der Erfindung;

Fig» 2 ein qualitatives Diagramm der Antwortfunktionen, welche die erfindungsgemäßen Detectoren in dem dargestellten Beispiel kennzeichnen;

Figo 3 ein qualitatives Diagramm der Verteilung der Neutronendichte als Punktion des Abstandes von der Quelle nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel von eingekapselten Neutronen-

quellen gemäß der Erfindung_o

Pig. 1 stellt ein Gerät zur Datenerfassung dar. Das Gerät stellt ein in bezug auf Strömungsmittel dichtes Gehäuse 10 dar, welches in ein Bohrloch 11 abgesenkt und wieder herausgezogen wird, welches durch eine Erdformation 12 gebohrt worden ist. Das Bohrloch 11 ist zur Veranschaulichung mit Bohrschlamm 13 gefüllt. Eine vertikale Bewegung des Gehäuses 10 wird durch ein bewehrtes Kabel 14 und eine nicht dargestellte Winde auf der Erdoberfläche gesteuert. Der Winde ist eine ebenfalls nicht dar-™ gestellte Meßvorrichtung zugeordnet, die eine Anzeige über die Tiefe abgibt, in welcher sich das Gehäuse 10 in dem Bohrloch 11 befindet. Auf diese Weise wird eine Angabe über einen kennzeichnenden Paramsber der Erdformation als Punktion der Bohrlochtiefe abgegeben.

Um beispielsweise die Porosität der Erdformation 12 genauer zu messen, wird das Gehäuse 10 gegen einen PiIm oder eine Schicht aus Schlamm oder Schlammkuchen 15 auf eine Seite des Bohrloches gedrückt. Die das Gehäuse 10 gegen den Schlammkuchen 15 drückende

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Kraft wird mittels einer Bogenfeder 16 ausgeübt. Zu diesem Zweck kann auch eine andere geeignete Exzentervorrichtung, beispielsweise ein federbelastetes hydraulisches System verwendet werden·.

Eine Neutronenquelle 17 befindet sich im untersten Abschnitt des Gehäuses 10, vorzugsweise auf der Seite des Gehäuses, die im Eingriff mit dem Schlammkuchen 15 steht. Zur Messung der Porosität hat sich eine mechanische Mischung aus Beryllium und einem der Plutoniumisotope (beispielsweise Plutonium 238 oder Plutonium 239) in einer ausreichenden Menge als geeignet erwiesen, um 10 Neutronen pro Sekunde abzugeben«,

Da die von den Quellen dieser Art abgegebenen Neutronen eine "durchschnittliche Energie von etwa 4 x 10 eV aufweisen, wird ein Reflektor 20 für eine hohe Neutronenenergie zwischen die Quelle 17 und jene Teile des Gehäuses 10 angeordnet, welche nicht gegen den Schlammkuchen 15 gedrückt sind. Vorzugsweise ist der Reflektor 20 aus einem Material hergestellt, welches eine große Streuwahrscheinlichkeit oder einen hohen Streuquerschnitt für Neutronen hoher Energie hat. Zu diesem Zweck sind Kupfer oder Stahl geeignet.

Der Reflektor 20 wirft jene Elektronen auf die Formation 12 zurück, welche von der Quelle 17 in einer Richtung emittiert worden sind, die die Elektronen von dem angrenzenden Abschnitt der Bohrlochwandung entfernen würde. Der Reflektor 20 verhindert, daß Neutronen in dem Bohr schlamm 13 absorbiert werden, und er erhält daher Neutronen, um die statistische Gültigkeit des Detectorsignales in noch zu beschreibender Weise zu erhöhen«,

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine zusätzliche" oder hilfsweise angeordnete Neutronenquelle 21 zwisohen das

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Gehäuse 10 und neben der Gehäuseseite angeordnet, welche in Kontakt mit der Bohrlochwandung gepresst ist. Die Quelle 21 ist allgemein vertikal mit der Neutronenquelle 17 ausgerichtet. Die von der Quelle 21 emittierten Neutronen haben beträchtlich weniger Energie als die von der Quelle 17 emittierten. Beispielsweise sind die Neutronen mit 240 keV, welche die Plutonium-Lithiumquelle kennzeichnen,besonders für die Oberflächendurchdringung geeignet, welche zur Abtastung des Einflusses des Schlammkuchens 15 erforderlich ist. Die Hilfsneutronenquelle 21 kann ebenfalls mit einem Neutronenreflektor oder einem ebenfalls nicht dargestellten Streuschirm ausgerüstet werden, welcher dem gleichen Zwecke dient, wie er in Verbindung mit dem Reflektor 20 beschrieben wurde.

Ein Neutronendetector 22 ist innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet. Der Detector 22 hat vorzugsweise ein kleines aktives Volumen, welches mit einem auf Neutronen ansprechenden Gas, beispielsweise Bohrtrifluorid oder Helium 3 (He ) gefüllt ist„ Typischerweise spricht der Detector 22 auf die Neutronen von der Hilfsquelle 21 an, welche ihren Weg zurück zu dem Gehäuse aufgrund von Streukollisionen im Schlammkuchen 15 finden. Durch Neutronenreaktionen werden in dem Zählergas geladene !Teilchen gebildet. Diese Reaktionen erzeugen eine Ionisation, welche eine elektrische Ladung in einem Ausgangsleiter 23 erzeugt»

Um die Empfindlichkeit des Detectors 22 auf epithermale Neutronen zu begrenzen und dadurch die Wirkung von salzhaltigem Wasser auf die beobachtete Neutronenverteilung herabzusetzen, wird der Detector 22 in einer Kapsel 24 eingebettet, welche typischerweise aus Cadmium besteht. Das Cadmium absorbiert im wesentlichen alle einfallenden thermischen Neutronen, um zu

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verhindern, daß sie in das aktive Volumen des Detectors 22 eintreten. Daher ist die Antwortfunktion des Detectors 22 nur · für solche Neutronen maßgebend, welche ihren Weg in das Gehäuse bei Energien zurückfinden, die größer als die thermischen Energien sind. Die Antwortfunktion des Detectors 22 v/ird weiterhin durch den Neutronenschirm 25 herabgesetzt, welcher zwischen dam Detector 24 und solchen G-ehäuseabschnitten angeordnet ist, welche sich nicht im Kontakt mit dem Schlammkuchen 15 befinden» Der beispielsweise aus Bohrcarbid gebildete Neutronenschirm 25 absorbiert im wesentlichen die anderen falsch angezeigten Neutronen, welche sich dem Detector 24 aus anderen Richtungen als dem Abschnitt des Schlammkuchens 15 oder der Bohrlochwand nähern, welcher sich in Anlage.mit dem Gehäuse 10 befindete Auf diese Weise v/ird der Einfluß des Bohrloch-Strömungsmittels auf die Neutronenverteilung, welcher in dem Detector 22 aufgefasst wird, in der Bedeutung wesentlich herabgesetzt.

Die von dem Detector 22 durch den Ausgangsleiter 23 gesendeten Signale werden in einer SignalVerarbeitungsschaltung 26 für die Weitergabe an die Erdoberfläche durch einen isolierten leiter 27 in dem bewerten Kabel 14 aufbereitet. Die Schaltung weist üblicherweise Dämpfungsschaltkreise auf, um die Detectorimpulse um einen konstanten Faktor herabzusetzen und die Belastung des Kabels 14 bei der Signalübertragung zu vermindern,, Vorzugsweise weist die Schaltung auch einen oder mehrere PuIshöhendiscriminatoren auf, um Geräusche auszuscheiden, und es ist ein Verstärkersystem vorgesehen, so daß die Ausgangsimpulse von der Dämpfungssehaltung durch einige hundert Meter des Kabela 14 verlaufen und an der Erdoberfläche in einem erkennbaren Zustand eintreffen_e

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Ein zweiter Neutronendetector 30 befindet sich vertikal über der Energiequelle 17 im Abstand von etwa 38 cm. Typischerweise enthält der Detector 30 ein Rohr, welches mit He unter einem Druck von etwa 10 Atmosphären, gemessen bei Noraialbedingungen, gefüllt ist.

Aus im wesentlichen den gleichen Gründen, wie sie in Verbindung mit dem Detector 22 beschrieben wurden, ist der Detector 30 in dem Gehäuse 10 zu der Gehäuseseite hin angeordnet, welche sich in Anlage mit dem Schlammkuchen 15 befindet,, Der Detector 30 ist ebenfalls in einer Absorptionskapsel 31 für thermische Neutronen angeordnet und teilweise von einem Neutronen absorbierenden Schirm 32 umgeben, welcher zwischen dem Detector 30 und denjenigen Teilen des Gehäuses angeordnet ist, die nicht gegen den Schlammkuchen 15 gepresst sind.

Der Detector 30 spricht auf epithermale Neutronen an, die von der Formation 12 durch die Erzeugung geladener Impulse in einem Ausgangsleiter 33 verstreut werden. Diese Impulse werden in einer Verarbeitungsschaltung 26 in dem Bohrloch empfangen» Die Schaltung 26 bereitet die Impulse auf, so daß sie an die Erdoberfläche durch einen isolierten Leiter 24 in dem bewirten Kabel 14 gesendet werden können.

An der Erdoberfläche werden die Signale von den Detectoren 22 und 30 in den Leitern 27 und 34 in einer Pulsverarbeitungsschaltung 35 empfangen, welche die entp sr eilenden Signale von den während der Übertragung in das Kabel 14 induzierten Geräuschen unterscheidet und diese Impulse für die weitere Verarbeitung regeneriert.

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Die regenerierten Signale des Detectors 22 werden von der Schaltung 35 durch einen Leiter 36 in einen Zähler 37 für die Impulsgeschwindigkeit geschickt. Der Zähler 37 integriert die Eingangsimpulse, um in einem Leiter 40 ein Ausgangssignal abzugeben, welches für den Mittelwert der zeitlichen Verteilung dieser Impulse (beispielsweise Detectorimpulse pro Sekunde) maßgebend ist. In ähnlicher Weise werden die Signale aus dem Detector 30 von der Verarbeitungssehaltung 35 durch einen Leiter 41 zu einem Meßgerät 42 zur Messung der Impulsgeschwindigkeit geleitet.

Das Signal für die Impulsgeschwindigkeit vom Meßgerät 42 wird durch einen Leiter 43 zu einer Schaltung 44 zur Funktionsbildung geleitet. Diese Schaltung 44 verbindet die Zählrate vom Detector 22, welche in erster Linie durch den Schlammkuchen beeinflusst und in Form des Geschwindigkeitssignales in dem Leiter 40 empfangen wird, mit der Zählrate vom Detector 30 im Leiter 43, welche für die Porosität und den Schlammkuchen maßgeblich ist, um die Porosität der Formation 12 zu bestimmen.

Bei einer speziellen Mineralzusammensetzung der Formation kombiniert die Schaltung 44 zur Funktionsbildung die Zähige- " schwindigkeiten, welche die Detectoren 22 und 30 entsprechend den in Fig, 2 erläuterten qualitativen Beziehungen kennzeichnen. Bei einer Kalksteinzusammensetzung bezeichnen eine Zählrate A vom Detector 30 und dem Zähler 42 und eine Zählrate B vom Detector 22 und dem damit verbundenen Zähler 37 einen Punkt 45. Der Punkt 45 entpsricht einer Formationsporosität von etwa 11 Porositätseinheiten und einem Schlammkuchenparameter, oder Qualitätsfaktor, der wenig kleiner als 1 ist. Dieser Qualitätsfaktor ist ein willkürlich angenommener Wert, der auf empirisch

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entwickelten Daten beruht, welche beispielsweise die Schlammkuehendicke und Schlammküchenporosität zusammenfassen, um bei einer bestimmten zu erfassenden Umgebung eine Kompensationsbeziehung herauszufinden. Diese Beziehungen gemäß Fig. 2 können beispielsweise durch ausgedehnte Versuche in Formationen bekannter Porosität und Mineralzusammensetzung sowie mit bekannten Schlammkuchencharakteristiken abgeleitet werden. Diese beobachteten Daten werden dann in Form von Schaubildern oder Datentabellen festgehalten, welche bei einem gegeben Mineral spezielle Kombinationen der Porositäts- und Schlammkucheneigenschaften auf bestimmte Detector-Zählraten beziehen<> Andererseits oder als Ergänzung können diese Daten durch Versuche erhalten werden, die in Laboratoriumsformationen mit vorgegebenen Eigenschaften und simulierten Schlammkuchen durchgeführt werden.

Eine typische Schaltung zur Funktionsbildung gemäß Fig. 1 zur Abgabe eines elektrischen Signales mit den Eigenschaften des Diagrammes der Fig„ 2 weist vorzugsweise einen Operationsverstärker und ein rückgekoppeltes Dioden-Widerstandsnetzwerk auf. Durch einen manuellen Wählschalter 46 können für die Schaltung 44 zur Funktionsbildung Antwortfunktionen eingestellt werden, die verschiedenen mineralischen Formationszusammensetzungen, beispielsweise Dolomit und Sandstein entsprechen. Typischerweise erlaubt der Schalter 46, daß das Dioden-Widerstandsnetzwerk, welches auf die mineralische Zusammensetzung der bestrahlten Formation abgestimmt ist, an den Operationsverstärker angeschlossen wird, um Ausgangssignale zu erhalten, welche sich mit den Eingangssignalen vertragen. Beispielsweise kann die spezielle mineralische

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Zusammensetzung der Erdformation, welche in einem speziellen * Pail "beobachtet -wird, durch Prüfung von. Bohrsohlamm bestimmt werden»

Es können automatische Techniken verwendet werden, um den Mineralwählschalter 46 zu ersetzen. Beispielsweise können die Signale der Detectoren 22 und 30 auf Band zur nachfolgenden Verarbeitung gemäß der Erfindung festgehalten werden oder sie können direkt einem digitalen Rechner zugeführt v/erden, der verschiedene andere Daten zur Abgabe industriell relevanter Ausgangsdaten verarbeitet. In Figo 1 wird das Signal über den Schlammkuchenparameter durch einen Leiter 47 zu einem Aufzeichnungsgerät 48 gesendet. Das Porosität ssignal wird ebenfalls zum Aufzeichnungsgerät 48 durch einen Leiter 50 gesendet, um eine Aufzeichnung des Schlammkuchenparameters und der Porosität der Erdformation als Punktion der Bohrlochtiefe zu erhalten. Obwohl diese Aufzeichnung oft als Schaubild dargestellt wird, kann sie auch auf einem Magnetband oder einem Papierband, gelochten Karten und dergleichen enthalten sein, um sie als Teil eines größeren Datenverarbeitungssystemes zu behandeln, wie in Verbindung mit den Signalen der Detectoren 22 und 30 beschrieben wurde«

Eine Aufzeichnung eines Schlammkuchenparameters und der Porosität der Erdformation, welche erfindungsgemäß erstellt worden ist, gibt auch eine nützliche Anzeige über das Ausmaß ab, in welchem die Poren in der Formation 12 untereinander verbunden sind. Diese allgemein als Permeabilität bezeichnete Information ist ein Maß für das relative Vermögen, Strömungsmittel aus der Formation herauszuziehen,,

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Beispielsweise zeigt in manchen Fällen ein dicker Schlammkuchen eine sehr permeabele Felsstruktur an, da das Schlamm-kuchenfiLtrat in die Formation offensichtlich einfach eindringen und einen relativ dicken Rückstand an der Bohrlochwandung ablagern kann. Folglich kann ein dicker Schlammkuchen neben einer sehr porösen Formation industriell bedeutsam sein, um eine Zone für weitere Untersuchungen nach möglichen Kohlenwasserstoffen herauszufinden.

Die relativen Positionen der Hilfsquelle 21 und des zugeordneten Detectors 22 gegenüber den Positionen der Quelle und des Detectors 30 können gemäß den speziellen Umständen und Optimierungskriterien für die Anordnung gewählt werden« Beispielsweise kann die Neutronenquelle 21 an einer bequemen Stelle in dem Gehäuse 12, in einem getrennten Ansatz oder in einem anderen G-erät zur Benutzung in einem getrennten Bohrlochdurchgang angeordnet werden. Die Stärke der Hilfsquelle 21 kann für spezielle Forschungsbedingungen optimiert werden·

Typischerweise sollte die Trennung zwischen dem Hilfsdetector 22 und der Neutronenquelle 17 ausreichend sein, um die Zählung in jenem Detector 22 auf einen vernachlässigbaren Betrag herabzusetzen, die von Neutronen aus der Quelle 17 herrührt. In ähnlicher Weise sollte der Detector 50 von der Hilfsquelle 21 weit genug beabstandet sein, um ein minimales Signal nach Maßgabe der Neutronen zu erzeugen, die auf diese Quelle zurückgehen. Die tatsächlichen Abstände zwischen den Quellen und den Detectoren können durch Optimierung bei speziellen Schlammkuchen- und Porositätsbedingungen bestimmt werden. Eine der Quellen kann entfernt werden, und die

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Detectorposition in der Sonde kann verändert werden, bis das •ungewünschte Neutronensignal einen hinreichend kleinen Wert erreicht. Die entfernte Quelle kann ersetzt werden, und die andere Quelle kann aus dem Gerät entfernt werden, während die Position des verbleibenden Detectors verändert wird, um den Abstand zu bestimmen, der für ein hinreichend kleines, unerwünschtes Neutronensignal angemessen ist.

Im Betrieb wird ein Neutron 51 von der Quelle 17 emittiert, und es stößt mit einem Atomkern in der Erdformation 12 zusammen. Als Ergebnis des Zusammenstoßes überträgt das Neutron einen Teil seiner Energie an den Atomkern und wird in eine neue Richtung abgelenkt. Es wird daraufhin wiederum unter Abgabe von Energie abgelenkt. Dieses Verfahren wiederholt sich häufig. G-elegentlich trifft ein einfallendes Neutron 51 auf den Detector 30 und wird als Einzelereignis registriert. Die Anzahl dieser Ereignisse geben beispielsweise die Wasserstoffkonzentration oder die Porosität in der Formation 12 an« Ein anderes ebenfalls von der Quelle 17 emittiertes Neutron wird möglicherweise in das aktive Volumen des Detectors 30 hauptsächlich durch Zusammenstöße mit Schlammkuchen-Atomkernen abgelenkt. Folglich enthält das in dem dargestellten Beispiel durch den Detector 30 erzeugte Signal Informationen über die Formation und den Schlammkuchen.

Wegen der geringen Energie der Quelle dringt jedoch ein Neutron 53 von der Hilfsquelle 21 nicht viel tiefer ein als in d.en Schlammkuchen 15. Das Neutron 53 wird mehrmals zurück in das aktive Volumen des zusätzlichen Detectors 22 abgelenkt. Das Signal des Detectors 22 ist daher fast vollständig auf die S ehlammku ehe ninf ormat ion begrenzt. Gemäß einem Merkmal der

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Erfindung werden diese beiden Detectorsignale kombiniert, um den Porositätsbeitrag zu trennen, der sich aus dem gemischten Schlammkuchen- und Porositätssignal ergibt, welches den Neutronendetector 30 kennzeichnet«

Gemäß Pig. 3 können die Neutronenquellen 60 für niedrige Energie und die Neutronenquelle 61 für hohe Energie in einer einzigen Kapsel kombiniert werden. Die Verteilungen der epithermalen Neutronen als Funktion des Abstandes der verbundenen Quellen ist in der Zeichnung dargestellt. Es sei angemerkt, daß die tatsächliche Neutronenverteilung nach Maßgabe vieler Faktoren schwanken kann. Beispielsweise haben die beobachteten Energiebereiche der Neutronen und die Bohrloch- und Schlammkucheneigenschaften eine Auswirkung auf die Neutronenabstandsverteilung.

Wenn man in dieser Weise Neutronenquellen verbindet, braucht man nicht zwei Kapseln für die Quellen. Dies setzt die zufällige Strahlung herab, welche sich bei dem Personalaufwand ergäbe, der zur Ladung von zwei Neutronenquellen bei jedem Bohrlochdurchgang erforderlich wäre. Die mechanische Anordnung des Gerätes wird insoweit vereinfacht, als nur eine Kapsel in der Sonde zur Ausführung der Erfindung erforderlich ist. Auch würde der Verlust oder die Beschädigung der Sonde zu einem komplizierteren Problem bezüglich der Erholung der Neutronenquelle führen, wenn es sich um zwei Neutronenkapseln statt um eine einzige Kapsel mit zwei Quellen handeln würde. Diese kombinierte Anordnung hat weiterhin den Vorteil, daß der Verwaltungsaufwand herabgesetzt wird, der sich bei der Registries rung mehrerer Quellen aus Gründen, der Gesundheit, der Sicherheit und gesetzlichen Vorschriften ergäbe. Auch braucht nicht ein

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besonderer abgeschirmter Transportbehälter auf dem Meßwagen vorgesehen zu werden. Zusätzlich wird die Länge des Seitenwandansatzes herabgesetzt, so daß dieser der Oberfläche der Bohrlochwandung besser folgen kann.

Vorzugsweise weist eine für die Durchführung der Erfindung geeignete Kapsel mit zwei Quellen für Neutronenenergien eine innige Mischung aus Plutonium und Lithium zur Erzeugung von Neutronen geringerEnergie auf. Diese Mischung wird chemisch, mechanisch oder in einer anderen geeigneten Weise mit einer anderen Mischung aus Plutonium und Beryllium vereinigt, die Neutronen hohe Energie erzeugt.

Statt die beiden Neutronenemitter zu vermischen, können gemäß Fig. 4 zwei Neutronenquellen 62 und 63 durch eine Wand 64 oder dergleichen voneinander getrennt werden, wobei diese Wand in einer Kapsel 65 angeordnet ist,die in geeigneter Weise in dem Gerät an Ort und Stelle bei 66 befestigt ist.

Die durch eine Quelle dieser Art bewirkte Neutronenabstandsverteilung sollte sich nicht wesentlich von derjenigen der Pig. 3 unterscheiden. Diese Trennung der Neutronenemitter innerhalb derselben Kapsel könnte auch einige andere Vorteile

bringen, falls eine Quelle zur chemischen Behandlung oder "

zur Reparatur zurückgebracht wird.

Der Detectorabstand von der Kapeel für die Quelle für zwei Neutronenarten zur Abgabe der Information über den Schlammkuchen einerseits und den Schlammkuchen und die Formation andererseits entsprechend der Lehre der Erfindung kann in einer Weise bestimmt werden, die derjenigen gleicht, welche in Verbindung mit den Kapseln für zwei getrennte Neutronenquellen gemäß Fig. 1 beschrieben wurde. Beispielsweise kann der Abstand

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des Detectors für die Schlammkuchenneutronen von der Quelle optimiert werden durch die Einstellung der Position entsprechend den Messungen, welche in der Erdformation mit bekannten physikalischen und Schlammkucheneigenschaften vorgenommen werden. Somit werden die Messungen dazu benutzt, um im Durchschnitt einen Abstand herauszufinden, der die besten Schlammkuchendaten oder die beste Definition ergibt. In ähnlicher Weise kann auch die Position des sich in einem größeren Abstand befindlichen Neutronendetectors für den Schlammkuchen und die Formation durch dieses empirische Verfahren bestimmt werden, um den besten Durchschnittswert in einem Bereich kommerziell interessierender Typen von Erdformationen zu erhalten. Die gleichen Verfahren können angewendet werden, um die optimalen relativen Stärken der Quellen hoher und niedriger Energie zu ermitteln. Dieses Verfahren verschiebt die Ordinaten der beiden Verteilungskurven der FIg. 3 relativ zueinander und stellt sicher, daß fiep zusätzliche Detector (bei B) prinzipiell Neutronen erfasst, die von der Quelle niedriger Energie emittiert werden, und daß der Hauptdetector (bei A) prinzipiell Neutronen erfasst, die von der Quelle für die hohe Energie emittiert werden.

Typische Schaltungen zur Punktionsbildung, wie sie in Verbindung mit diesen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, finden sich in üblichen Abhandlungen, Das Buch "Analog Computation" von Albert S. Jackson, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1961, enthält beispielsweise eine Anzahl von Schaltungen, die zur Ausführung der Erfindung geeignet sind. Indessen sei angemerkt, daß die Erfindung nicht auf die Analog rechentechnik beschränkt ist, sondern in allen kompatiblen Datenverarbeitungsanlagen, beispielsweise Digitalrechnern durchführbar ist.

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Claims (1)

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   Fall 2/184

   PATENTANSPRÜCHE

   .0 Vorrichtung zum Erforschen von Erdformationen, in welche ein Bohrloch eingebracht ist, das wenigstens an einem Teil seiner Wand einen Schlammkuchen aufweist, mit einer Einrichtung zur Ableitung eines Signales, welches für die Diffusion von Neutronen einer relativ hohen Anfangsenergie durch die Formation und den Schlammkuchen repräsentativ ist, gekennzeichnet durch eine zweite Vorrichtung zur Abgabe eines zweiten Signales, das in erster " Linie die Diffusion von Neutronen durch den Schlämmkuchen (15) angibt, welche anfänglich eine niedrigere Energie aufweisen als die vorgenannten Neutronen und Anzeigen über wenigstens eine Formations- oder Schlammkucheneigenschaft abgibt.

   2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen hoher Energie und die Neutronen niedriger Energie epithermale Neutronen sind.

   3o) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis (44) vorgesehen ist, um die ersten und zweiten Signale zu kombinieren und wenigstens ein Ausgangssignal abzugeben, das für eine Eigenschaft der Erdformation repräsentativ ist.

   4o) Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis eine Schaltung zur Funktionsbildung aufweist, die auf die ersten und zweiten Signale (43,40) anspricht und eine Einrichtung die Schaltung zur Funktionsbildung mit dem Schaltkreis zur Ableitung der ersten und zweiten Signale gemäß der mineralischen Zusammensetzung

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   - 20-der Formation verbindet.

   5.) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal für die Wasserstoffkonzentration' der Erdformation repräsentativ ist.

   6.) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal für die Porosität der Erdformation repräsentativ ist und der Schaltkreis (44) zur Abgabe eines weiteren Ausgangssignales geeignet ist, das für einen den Schlammkuchen kennzeichnenden Parameter repräsentativ ist.

   7.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen hoher Energie in der Erdformation eine Bremslänge von etwa 10 bis 30 cm und die Neutronen niedriger Energie im Schlammkuchen eine Bremslänge von etwa 3 bis 10 cm haben.

   8.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gezeichnet, daß die Schaltung zur Ableitung der ersten und zweiten Signale einen ersten Neutronendetector (52) aufweist, der vertikal von einer ersten Neutronenquelle (17) hoher Energie beabstandet ist, und daß sie einen zweiten Neutronendetector (22) aufweist, der sich im vertikalen Abstand von einer zweiten Neutronenquelle (21) niedrigerer Energie befindet und dieser Abstand geringer ist als der Abstand der ersten Neutronenquelle vom ersten Neutronendetector.

   9.)Vorrichtung Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (16) vorgesehen ist, die die Quellen und den Detector gegen die Wand des Bohrloches drückt.

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   10o) Vorrichtung naoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Kapsel vorgesehen ist, die die ersten und zweiten Feutronenquellen aufnimmt.

   11o) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kapsel eine Trennvorrichtung zum Trennen der ersten und zweiten Neutronenquellen vorgesehen ist.

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