DE2210550A1

DE2210550A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bohr lochvermessung mit kunstlicher Radioaktivi

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Publication number: DE2210550A1
Application number: DE19722210550
Authority: DE
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1971-03-05
Filing date: 1972-03-04
Publication date: 1972-09-21
Also published as: ES400416A1; DE2210550B2; GB1355479A; BR7201285D0; DE2210550C3; FR2128644B1; AR214494A1; CA937339A; FR2128644A1; US3772513A

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BOHRLOCHVER MESSUNG HIT KÜNSTLICHER RADIOAKTIVITÄT

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erkundung der Beschaffenheit von Erdformationen durch geophysikalische Bohrlochvermessung mit künstlicher Radioaktivität und insbesondere auf ein neuartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bohrlochvermessung mit künstlicher Radioaktivität zwecks quantitativer Bestimmung des Vorhandenseins von Kohlenwasserstofföl oder Salzwasser in von einem Bohrloch durchdrungenen Erdformationen an Ort und Stelle.

Bei Bohrlochuntersuchungen mit künstlicher Radioaktivität wird eine Neutronenquelle zur Erzeugung beobachtbarer Effekte benutzt, welche dann ermittelt und gemessen werden und als Anzeige für das Vorhandensein von Öl oder Salzwasser in den an das Bohrloch angrenzenden Erdformationen dienen.

Es ist bekannt, Erdformationen anhand von Bohrlöchern an Ort und Stelle vermittels verschiedener Analysenverfahren mit künstlicher Radioaktivität zu vermessen. Auf diese Weise ist z.B. die Bestimmung des Vorhandenseins poröser Z.onen an dem Bohrloch vermittels manchmal auch als Porositätsmessung (Porositäts-logging) bezeichneter Verfahren

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möglich, durch welche das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Wasserstoff in den Poren der Formation angezeigt wird, wobei der Wasserstoff in Kohlenwasserstofföl oder in Wasser gebunden sein kann. Derartige Analysen werden anhand von Neutron-Neutron- oder Neutron-Ganuna-Vermessungen entsprechend bekannten Verfahren ausgeführt'. Außerdem ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Salzwasser in den von dem Bohrloch durchbrochenen Formationen vermittels Chlormeßverfahren unter Verwendung künstlicher Radioaktivität zu bestimmen, bei denen die_ Analyse auf das Vorhandensein von Chlor als Formationsbestandteil gerichtet ist. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist in der U.S. Patentschrift 3 219 820 von Hugh E. Hall jr. vom 23.11.1965 beschrieben. Wie in dieser Patentschrift ausgeführt, wird eine Neutronenquelle in das Bohrloch herabgelassen und Strahlung in zwei Energiebereichen aufgefangen, um zwei Signale zu erhalten. Dabei ist das erste Signal ein Wasserstoff anzeigendes Formations-Bezugssignal, das in der genannten Patentschrift als Wasserstoffsignal (K-Signal) bezeichnet und im wesentlichen unempfindlich gegenüber in der vermessenen Formation vorhandenem Chlor ist. Das zweite Signal ist ein Formations-Bezugs- plus Chlorsignal, welches in der Patentschrift als Wasserstoff-plus-Chlorsignal (H & Cl-Signal) bezeichnet und empfindlich gegenüber Chlor in den vermessenen Formationen ist und zugleich Wasserstoff anzeigt. Die beiden Signale werden in Obereinstimmung mit der Lage des innerhalb des Bohrlochs befindlichen Meßinstruments in der Weise aufgezeichnet oder graphisch aufgetragen, daß Unterschiede zwischen den beiden Signalen einen quantitativen Meßwert für den Chlorgehalt der Formation liefern und einander entsprechende Schwan kungen der beiden Signale eine quantitative Anzeige für den Wasserstoffgehalt (der manchmal auch als Porosität bezeichnet wird) der Formation darstellen.

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Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung des Wasserstoff- und des Chlorgehalts der von einem Bohrloch durchdrungenen Erdformationen zu schaffen, die gegenüber denen der genannten U.S. Patentschrift verbessert sind, eine quantitative Unterscheidung zwischen Kohlenwasserstofföl und Salzwasser in den Foren der Erd format ion entlang dem Bohrloch gestatten und verhältnismäßig unempfindlich sind gegenüber gegenteiligen Einwirkungen bestimmter anderer, störender Stoffe, die ebenfalls in den Erdformationen vorhanden sein können.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren zur Vermessung der von einem Bohrloch durchdrungenen Erdfonnationen mit künstlicher Radioaktivität durch Durchführen einer schnellen Neutronenquelle durch das Bohrloch, Bestrahlen der Formationen an aufeinanderfolgenden Bohrlochabschnitten und gleichzeitiges Durchführen eines zur Anzeige von sich aus dieser Strahlung ergebender Gammastrahlung in dem Bohrloch dienenden Gammastrahlungsdetektors ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein proportional arbeitender Gammastrahlungsdetektor verwendet wird, der eine Abschirmung aus einem vorbestimmten Werkstoff aufweist, welcher durchtretende thermische Neutronen einfängt und eine Gammastrahlung im wesentlichen innerhalb eines ersten Energiebereichs emittiert, aus der in dem Bohrloch auf den Detektor auftreffenden Gammstrahlung ein Gammastrahlung in diesem ersten Bereich entsprechendes erstes Meßsignal und ein Gammastrahlung in einem zweiten Bereich entsprechendes zweites Meßsignal von dem Detektor hergeleitet wird, wobei der erste Energiebereich so gewählt wird, daß er wenigstens einen großen Teil des energieschwächeren Bereichs des Neutroneneinfang-Gammajtrahlungsspektrums von Chlor umfaßt, einen unteren Grenzwert bei ctv.a 1 MeV oder darüber und einen unterhalb des

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zweiten Bereichs liegenden oberen Grenzwert aufweist, der zweite Energiebereich so gewählt wird, daß er wenigstens einen großen Teil den energiehöheren Bereichs des Neutroneneinfang-Gammastrahlungsspektrums von Chlor umfaßt und einen oberhalb des ersten Energiebereichs liegenden unteren Grenzwert aufweist, das im ersten Energiebereich erhaltene Signal ein weitgehend Wasserstoff anzeigendes Formations-Bezugssignal und das im zweiten Bereich erhaltene Signal ein weitgehend Wasserstoff als auch Chlor anzeigendes Formations-Bezugs- und Chlorsignal darstellt, und das erste und zweite Meßsignal in gegenseitiger Zuordnung in der Weise aufgetragen bzw. aufgezeichnet werden, daß einander entsprechende Signalabschnitte Wasserstoff in den Formationen und Unterschiede zwischen den beiden Signalen Chlor in den Formationen anzeigen.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Bohrlochvermessungsvorrichtung umfaßt eine durch ein Bohrloch durchführbare Bohrloch- oder Meßsonde, welche eine zum Beschießen oder Bestrahlen der Erdformationen entlang dem Bohrloch dienende Quelle schneller Neutronen und einen in Bohrlochlängsachseprichtung in einem vorbestimmten Abstand von der Quelle angeordneten und zum Auffangen der durch den Neutronenbeschup der Formationen durch die Quelle in dem Bohrloch erzeugten Strahlung dienenden Strahlungsdetektor auf. Der Strahlungsdetektor besteht aus einem . proportional arbeitenden Gammastrahlungsdetektor mit einem nachgeschalteten Mehrkanal-Impulshöhenanalysator, der zur Abgabe von Ausgangssignalen in wenigstens zwei voneinander getrennten, vorbestimmten, jeweils einem ersten und einem zweiten Energiebereich entsprechenden Kanälen ausgelegt ist. Der als Kanal 1 oder Formations-Bezugssignal (FR-Signal) bezeichnete erste Energiebereich weist auf Wasserstoff hin und ist im wesentlichen unempfindlich gegenüber dem Chlorgehalt der Formation, während der als Kanal 2 oder Formations-Bezugs- und Chlorsignal (FR-Cl-

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Signal) bezeichnete zweite Energiebere.ich sowohl auf Wasserstoff als auch auf Chlor in don angrenzenden Formationen hinweist bzw. anzeigt. Der Strahlungsdetektor ist mit einer Abschirmung aus einem vorbestimmten Werkstoff uingeben, der einen verhältnismäßig großen Einfangquerschnitt für Neutronen aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß er innerhalb dec vorbestimmten Signalanalysenbereichs von Kanal 1 für¹ das Forrnations-Bezugösignal ein hohes Ansprechvermögen für durch thermische Neutronen erzeugte Gammastrahlung und innerhalb des vorbestimmten Energiebereichs von Kanal 2 für das Formations-Bezugs- und Chlorsignal bei Einfangen thermischer Neutronen ein verhältnismäßig geringes Ansprechvermögen für in diesem Bereich erzeugte Gammastrahlung besitzt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform besteht der vorbestimmte Abschirmungswerkstoff aus Samarium. Weiterhin werden als Werkstoffe Europium oder Gadolinium vorgeschlagen. Die aus dem vorbestimmten Werkstoff bestehende Abschirmung sollte das Meßsondengehäuse vorzugsweise in der Nähe des Detektors umgeben, so daß sie die thermischen Neutronen abfängt, welche ansonsten von dem Eisen des Sondengehäuses eingefangen werden und zur Emission einer für Eisen kennzeichnenden Neutroneneinfang-Gammastrahlung führen könnten.

Weitere Merkmale, sowie die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung werden im nachfolgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Aufrißquerschnitt durch einen Bohrlochabschnitt, in dem eine erfindungsgemäß ausgebildete Bohrlochsonde aufgehängt ist.

Fig. 2 ist eine scheiaatische Darstellung einer typischen Heßaufzeichnung wie sie vermittels des Verfahrens und der Vorrichtung nacli der Erfindung erhalten wird.

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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung zur Auswertung von entsprechend der Erfindung erhaltenen Meßergebnissen.

Fig. U ist eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens der erfindungsgemäßen Vorrichtung, jedoch ohne eine Abschirmung aus einem vorbestimmten Werkstoff wie z.B.

Samarium.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Ansprechverhaltens der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den gleichen Formationen wie denen der Fig. 4, wobei die Vorrichtung jedoch eine Abschirmung aus einem vorbestimmten Werkstoff, nämlich Samariumoxyd aufweist.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des Neutroneneinfangs -Gammastrahlungsspektrums von Samarium.

In Figur 1 der Zeichnungen ist ein Bohrloch 10 dargestellt, das durch mehrere Erdformationen 11, 12, 13 und 14 hindurch niedergebracht ist und ein flüssiges Medium (Spülung) 15 wie z.B. Salzwasser oder Erdöl enthält. Innerhalb des Bohrlochs 10 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Bohrlochsonde 17 vermittels eines Seilkabels 16 aufgehängt, das eine äußere, leitfähige Ummantelung und einen oder mehrere (nicht dargestellte) Innenleiter aufweist und dazu dient, elektrische Signale zwischen der Sonde 17 und an der Erdoberfläche befindlichen elektrischen Geräten zu übertragen. Die Oberflächengeräte bestehen aus einer Oberflächenelektronik 18, der die von der Sonde 17 übertragenen Signale zugeführt werden und welche diese verstärkt und nach Bedarf für die Aufzeichnung trennt. Das Oberflächengerät umfaßt weiterhin eine Vorrichtung zum Verstärken der aufgefangenen Signale und einen Mehrkanal-

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Impulshöhenanalysator oder Diskr-ininator mit getrennten Kanalausgüngen für Signale unterschiedlicher¹ Impulshöhenbereiche. Die Ausgänge der Oberflächenelcktronik 18 bestehen aus voneinander getrennten Signalkanälen, von denen der erste mit einer ersten Sichtanseigevorrichtung in der Form eines Aufzeichnungsgeräts 19 für Kanal 1 und der .:■ i'are mit einen zweiten Sichtanzeigegerät in der Form cinus Aufzeichnungsgeräts 20 für Kanal 2 verbunden ist. Bei den beiden Aufzeichnungsgeräten kann es sich selbstverständlich um getrennte Geräte handeln, vorzugsweise bestehen diese jedoch aus getrennten .Kanälen eines Mehrkanal-Auf Zeichnungsgerätes, wie durch den strichpunktierten Kasten 21 angedeutet ist, welcher die Aufzeichnungsgeräte 19, 20 umgibt. In jedem Falle weisen die Aufzeichnungsgeräte 19, 20 Zählgeschwindigkeitsmesser auf, welche eine Anzeige der Intensität, d.h. der Impulsfolgegeschwindigkeit für die aufgefangene Strahlung ermöglichen. VJenngleich bei den; hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Diskriminator * ί an Teil des Oberflächengeräts bildet, kann er auch in die Bohrloch- oder Meßsonde eingebaut sein,

Zur Ermittlung der Lage ler Bohrlochsonde 17 innerhalb des Bohrlochs 10 während einer Bohrlochvermess\ing ist an der Erdoberfläche eine Meßvorrichtung 2 3 für die Tiefenbestimmung vorgesehen, die hier schematisch in Form einer Rolle dargestellt ist, welche an ihrem Umfang in Eingriff mit dem Seil 16 steht und Bewegungen desselben in das Bohrloch 10 hinein oder aus diesem heraus abtastet. Die Meßvorrichtung 2 3 kann aus einer beliebigen Vorrichtung bekannter Ausführung bestehen, welche die Bestimmung der Lage der Bohrlochsonde 17 innerhalb des Bohrlochs 10 gestattet , und liefert zweckmäßigerweise ein elektrisches Ausgangssignal, das über eine elektrische Schaltungsverbindung 24 den Aufzeichnungsgeräten 19, 20 zugeführt wird und dazu dient, während der ganzen Bohrlochvermessung das

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aufgezeichnete Meßsignal in Beziehung zu setzen zur Lage der Sone innerhalb des Bohrlochs.

Die Bohrlochsonde 17 weist ein langgestrecktes äußeres Gehäuse 25 auf, das in herkömmlicher V/eise aus Stahl besteht und so ausgelegt ist, daß es den bei der Bohrlochverrnessung auftretenden Drücken und Temperaturen widerstehen kann. Vorzugsweise ist das Gehäuse so ausgelegt, daß es auch unter den Bedingungen bei mehr als 3000 oder mehr als 6000 m Tiefe verwendbar ist.

Das Gehäuse 2 5 enthält eine Neutronenquelle 2 6 zum Bestrahlen oder Beschießen der an das Bohrloch angrenzenden Erdformationen und einen entsprechenden Strahlungsdetektor, durch den die durch den Neutronenbeschuß der Formationen erzeugte Gammastrahlung angezeigt wird. Außerdem befinden sich innerhalb des abgeschlossenen Gehäuses entsprechende elektrische Schaltungen zur Verstärkung und sonstigen Verarbeitung der von dem Strahlungsdetektor erzeugten Ausgangssignale und zum Übertragen derselben über das Seilkabel 16 zu dem Oberflächengerät. Insbesondere befindet sich die Neutronenquelle 26 innerhalb des Gehäuses 25 und ist in diesem von einer für Neutronen durchlässigen Abschirmung 27 aus beispielsweise Blei umgeben, welche dazu dient, ein direktes oder indirektes Auftreffen der ggf. von dieser emittierten Gammastrahlung auf den Detektor zu verhindern. Bei der Neutronenquelle 26 handelt es sich vorzugsweise um eine Quelle verhältnismäßig langer Halbwertszeit, welche die erforderliche Stabilität aufweist und verhältnismäßig frei ist von gleichzeitig entwickelter Gammastrahlung. So kann die Quelle beispielsweise aus Beryll mit entweder Actinium 227 oder Plutonium oder Radium D oder Pollonium oder Americium bestehen. Im oberen Teil der Sonde 17 in einem vorbestimmten Abstand von der Quelle 2G befindet sich ein Strahlungsdetektor 28, der in Verbindung mit einer Abschirmung und einer nach-

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geschalteten Schaltung so ausgelegt ist, daß er erste und zweite Ausgangssignale abgibt, von denen das erste Signal ein Wasserstoff in den umgebenden Formationen anzeigendes, jedoch gegenüber dem Chlorgehalt im wesentlichen unempfindliches Bezugs signal und das zweite Signal außerdem proportional dem Chlorgehalt in den benachbarten Formationen ist. Das in Kanal 1 erhaltene Signal ist proportional der von den benachbar t:en Erdformationen abgegebenen Strahlung aufgrund der Wechselwirkung zwischen den von der Quelle abgegebenen Neutronen und der Formation, wie weiter unten ausführlicher erläutert ist. Das erste Signal wird am Kanal 1 - Ausgang des Diskriminator erhalten und im nachfolgenden als Formations-Bezugssignal bezeichnet. Das zweite Signal wird in Kanal 2 erhalten, ist proportional der von den benachbarten Erdformationen aufgrund der von der Quelle abgegebenen Meutronen emittierten Strahlung und zeigt den Wasserstoff- und den Chlorgehalt der benachbarten Formationen an, so daß es im nachfolgenden als Bezugs- und Chlorsignal bezeichnet wird.

Der Strahlungsdetektor 2 8 enthält einen proportional arbeitenden Szintillationszähler aus einem auf Gammastrahlung ansprechbaren Luminophor 30, vorzugsweise in der Form eines mit Thallium aktivierten Natriumjodidkristalls, und einem Photo- oder Elektronenvervielfacher 31, welcher unmittelbar neben der luinineszenzfähigen Substanz 30 angeordnet ist und zur Ermittlung von Photonen-Ausgangsimpulsen des Luminophors und zur Erzeugung eines diesen proportionalen elektrischen Signals dient. Unmittelbar anschließend an den Photovervielfacher ist ein Vorverstärker 32 angeordnet, der mit weiteren elektrischen Geräten verbunden ist, die hier als Sondenelektronik 33 bezeichnet sind und einen (nicht getrennt dargestellten) Verstärker zum Obertragen eines von dem Photovervielfacher 31 erhaltenen Ausgangssignals über dar· Sailkabel IC zu dem Qber-

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flüchengerät enthalten. Der Photovr.rvielf acher 31 wird vermittels einer (nicht dargestellten) Hochspannungsquelle gespeist, die aus innerhalb der Sonde angeordneten Batterien oder wie im allgemeinen üblich aus einem in der Sonde befindlichen Speisegerät aus Transformator und Gleichrichter besteht, das von der Oberfläche aus mit' Wechselspannungcenergie gespeist wird und diese in ein entsprechendes Gleichstrom-Betriebspotential für die Bohrlochsonde umwandelt. Die Sondenelektronik 33 kann außerdem in an sich bekannter Weise zusätzliche elektrische Schaltungen umfassen, welche nach bekannten Verfahren zur Übertragung der Signalinformation zur Erdoberfläche dienen. Die Strahlungsdetektorsignale können entsprechend bekannten Verfahren beispielsweise in der Form amplituden- oder frequenzmodulierter Signale zur Erdoberfläche übertragen werden. Bei Verwendung eines sogenannten Einzelleiters können die jeweiligen Signale der getrennten Detektorkanäle gleichzeitig in der Form von Impulsen unterschiedlicher Polarität oder unterschiedlicher Impulshöhe oder beispielsweise in der Form frequenzmodulierter Signalinformation auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen übertragen werden.

Der Luminophor 30 ist entsprechend der Darstellung innerhalb des üblichen Aluminiumbehälters 30a angeordnet, der zum Schutz des Kristalls gegen Feuchtigkeit und äußerliche Beschädigung dient. Außerdem ist der Luminophor 30 vorzugsweise mit einer dünnen Borabschirmung 30b umgeben, die sich auf der Außenseite des Behälters 30a befinden kann und zur Absorption thermischer Neutronen dient, um eine Aktivierung des Luminophors 30 durch diese zu verhindern. Das dem Photovervielfacher 31 zugewandte obere Ende des Behälters 30a ist offen, so daß der Luminophor 30 entsprechend der Darstellung in unmittelbarer Berührung mit dem Photovervielfacher 31 steht. Der Behälter 30a

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kann jedoch in an sich bekannter VJeise auch mit einer transparenten Abdeckung aus Glaπ oder Kunststoff verschlossen sein. Das Gehäuse 25 der Bohrlochsonde 17 ist im Bereich .des Strahlungsdetektors und des in dem Behälter 30a befindlichen Luminophors 30 außenseitig mit einer Abschirmung 50 aus einem Neutronen absorbierenden Werkstoff wie z.B. Samarium in Form eines Samariumoxydüberzuges (Sm₂O₃) verseilen, der vorzugsweise in einem Bindemittel oder einer Matrix aus Epoxydharz eingebettet ist. Die Samariumabsehirmung 50 stellt einen Neutronen absorbierenden Werkstoff dar, welcher bei Einfangen eines Neutrons Gammastrahlung innerhalb des Energiebereiches von Kanal 1 des Detektors emittiert und wie im nachstehenden ausgeführt in Verbindung mit anderen Bauteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich des Mehrkanal-Diskriminators dazu dient, ein in Kanal 1 erhaltenes Neutronen-Gammastrahlungssignal (Formations-Bezugssignal) hauptsächlich empfindlich für Wasserstoff und verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Chloreinwirkung zu machen, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Um zu gewährleisten, daß das Signal in Kanal 1 hauptsächlich auf durch Neutronen induzierte Gammastrahlung und nicht auf die unerwünschte, weniger energiereiche natürliche Gammastrahlung oder Gammastreustrahlung der Neutronenquelle zurückzuführen ist, wird der Diskriminator von Kanal 1 zweckmäßigerweise in der Weise eingestellt bzw. vorgespannt, daß er einen Großteil dieser unerwünschten energieschwächeren Gammastrahlungen ausschließt. Der Diskriminator ist vorzugsweise so abgestimmt, daß das gemessene Strahlungssignal Gammastrahlung in einem Energiebereich von etwa 1,3 MeV und darüber anzeigt, wie weiter unten erläutert ist. Dieser besondere Vorspann- oder Einstellwert bewirkt in Verbindung mit dem 51 χ 102 mm großen Natriumjodidkristall und der in Epoxydharz eingebetteten Samariumoxydabschirmung als die Neutronen absor-

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bierencier Werkstoff 50, welcher den Luminophor 30 umgibt, bei einem Abstand von 400,0 nun zw.irr.chon Neutronenquelle und Detektor die Erzeugung eines sehr guten Formations-Bezugs-Meßsignals, das bei der durch Neutronenbestrahlung der Formationen durch die Quelle 26 erhaltenen Strahlung in erster Linie auf Wasserstoff in den Formationen ansprechbar ist. Da der Detektor außerdem so eingestellt (vorgespannt) ist, daß energicschwachere Gammastrahlung ausgeschlossen ist, wird mit hoher "Wahrscheinlichkeit der größte Teil der in der Formation vorhandenen natürlichen Gammastrahlung und Gammastreustrahlung .der Strahlungsquelle aus dem angezeigten Signal ausgeschlossen, da sowohl die natürliche als auch die Streu-Gammastrahlung verhältnismäßig niedrige Energiewerte aufweisen.

Entsprechend den sogenannten Neutronen-Gammastrahlungs-Meßverfahren (Logs) wird eine Neutronenquelle durch das Bohrloch durchgeführt, um die entlang dem Bohrloch durchstoßenen Erdformationen zu bestrahlen. Die von der Quelle abgegebenen Neutronen werden in der Formation und in der Bohrlochflüssigkeit in erster Linie aufgrund der Bremswirkung von Viasserstoff verlangsamt, und nach Verlangsamung auf den thermischen Bereich werden die Neutronen durch das Material der Formation eingefangen, wobei Gammastrahlung entsteht. Diese Neutronen-Gammastrahlung, d.h. durch das Einfangen von Neutronen bewirkte Gammastrahlung, wird aufgefangen und ihre Intensität, d.h. die Impulsfolgegeschwindigkeit (rate-of-occurence) wird gemessen und ist ein Meßwert für den (manchmal auch als Porosität bezeichneten) V'asserstoffatomgehalt der Formation.

Wenn die auf den thermischen Bereich verlangsamten Neutronen durch Wasserstoff eingefangen werden, emittiert der einfangende Wasserstoff eine kennzeichnende Gammastrahlung. Wenn in den Poren des untersuchten Formationsbereiches nur Wasserstoff vorhanden ist, liefert die

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Intensität ,el .h. die ImpulsfolgegescL windigkeit der aufgefangenen Gammastrahlung eine gute quantitative Anzeige dec VJaSGeI¹GtOffgehalts der Formation. Dabei wurde jedoch festgestellt, daß andere Stoffe, die ebenfalls in der Formation vorhanden sein können, nachteilige Auswirkungen auf die Heutronen-Gaiiir.iastrahlungs-Eohrlcchverrnessung haben können, so daß die Vermessung keine zuverlässigen Meßwerte für Wasserstoff liefert. Von großem Einfluß ist insbesondere das Vorhandensein von Chlor, das im Vergleich zu Wasserstoff einen verhältnismäßig großen Einfangquerschnitt für thermische Meutronen aufweist." Chlor weist einen Neutroneneinfangquerschnitt von etwa 32 barn auf, während der Neutroneneinfangquerschnitt des Wasserstoffs etwa 0,3 3 barn beträgt. Daher ist Chlor angenähert 100-fach wirksamer als Wasserstoff bein Einfangen thermischer Neutronen. Wenn ein thermisches Neutron nicht von Wasserstoff, sondern von Chlor eingefangen wird, werden bei einem Einfangvorgang durch ein Chloratom (im Mittel) etwa 3,1 mal so viel Gammastrahlungseinheiten emittiert wie bei einem Einfangvorgang durch ein Wasserstoffatom. Außerdem liegen viele der von Chlor emittierten Gammastrahlen in einem höheren Energiebereich von etwa ^li bis 8 MeV, im Vergleich zu der kennzeichnenden Gammastrahlung von 2,2 MeV, die bei Neutroneneinfang durch Wasserstoff emittiert wird. Daher steigert das Vorhandensein auch einer geringen Chlorrnenge normalerweise die Intensität der von dem Neutronen-Gammastrahlungsdetektor aufgefangenen Gammastrahlung und führt somit zu einer verfälschten Anzeige des Wasserstoffgehalts bei der Messung.

Die Neutralisierung des schädlichen Einflusses von Chlor

auf die Wasserstoffanzeigende Neutronen-Gammastrahlung,

d.h. das vorstehend beschriebene Formations-Bezugssignal in Kanal 1 wird in der Weise erhalten, daß der Gammastrahlungsdetektor einer Strahlung ausgesetzt wird, die

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sich umgekehrt zu dem durch das Vorhandensein von Chlor auf den Detektor bedingten Einfluß verhält. Chlor hat einen verhältnismäßig großen Einfangquerschnitt und emittiert bei Einfangen eines Neutron::; mehrere Gammastrahlen (Photonen). Somit wird die Zählgeschwindigkeit des Gammastrahlungsdetektors durch das Vorhandensein von Chlor gesteigert. Zur Neutralisierung der Chlorcinwirkung wird ein Gammastrahlmigscignal entwickelt, dessen Intensität bei Vorhandensein von Chlor entsprechend abnimmt. Das kann durch Entwicklung eines Gammastrahlungssignals erfolgen, dessen Intensität proportional ist dem thermischen Neutronenfluß im Detektorbereich. Chlor absorbiert oder entfernt nämlich aufgrund seines verhältnismäßig großen Einfangquerschnitts thermische Neutronen aus dem Detektorbereich. Daher wird der thermische Neutronenfluß in Detektornähe durch das Vorhandensein von Chlor verringert. Wenn nun ein Neutronen absorbierender Werkstoff wie z.B. Samarium vorgesehen wird, der in der Nähe des Detektors eine Vielzahl von Neutroneneinfangs-Gammastrahlen emittiert, werden thermische Neutronen in diesem Werkstoff absorbiert, wobei es zur Emission von Gammastrahlung kommt, die von dem Gammastrahlungsdetektor aufgefangen wird. Bei Verwendung eines Natrium]odiddetektorkristalls muß die Dicke der Samariumoxydschicht wenigstens so stark bemessen sein, daß der größte Teil der thermischen Neutronen absorbiert wird, wobei der Abgleich durch entsprechende Einstellung des Diskriminators für Kanal 1 erzielt wird. Wenn die Meßsonde aus einem kein Chlor enthaltenden Bereich in einen Bereich gleichartiger, jedoch Chlor enthaltender Beschaffenheit gelangt, nimmt die Zählgeschwindigkeit des Gammastrahlungsdetektors aufgrund der Steigerung der unmittelbar auf das Chlor zurückzuführenden Einfangs-Gammastrahlen (Photonen) zu. Damit ist jedoch gleichzeitig die Anzahl der zum Einfangen durch den Neutronen absorbierenden Werkstoff um den Detektor herum zur Verfügung stehenden thermischen Neutronen ver-

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lungert, wodurch wiederum die Zahlgeschv7indickc.it des Ganimastrahlungsdetektors verringert wird. Durch entsprechende Maßnahmen kann erreicht v/erden, daß sich diese beiden Effekte gegenseitig aufneben, so daß bei Fortbewegung einer in dieser Weise ausgebildeten Bohrlochsonde aus einer Chlor enthaltenden Formation zu einer kein Chlor enthaltenden, jedoch die gleiche Porosität, Formationsmatrix und Wasserstoffgehalt aufweisenden Formation das Ansprechverhalten unverändert bleibt.

Das Samarium wirkt als Neutronenabsorber und Garnmastrahlungnemitter und dient daher zur Messung des thermischen Neutronenflusses im Bereich des (mit Thallium aktivierten) Ual-Detektors. Der größte Teil der in Samarium erzeugten Gammastrahlung ist von verhältnismäßig niedriger Energie, wobei ein großer Teil dieser Strahlung zur Bildung des in Kanal 1 gemessenen Formations-Bezugssignal beiträgt, wobei der Diskriminator vorzugsweise so eingestellt ist, daß er sämtliche Gammastrahlung in einem Eereich zwischen 1,30 und 2,92 MeV annimmt.

Das Formations-Bezugs- und Chlorsignal wird in Kanal 2 dadurch erhalten, daß sämtliche Gammastrahlung mit einer Energie oberhalb eines unteren Grenzwerts von 3,43 MeV gemessen wird. Dabei handelt es sich um die Gammastrahlung von Eisen, Kalzium und Silizium, sowie auch Chlor, wohingegen das Formations-Bezugssignal in Kanal 1 ebenfalls Gammastrahlung von Wasserstoff und der manschettenförmigen Samariumabschirmung enthält.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung lassen sich die beiden vorgenannten Effekte zur Neutralisierung des Einflusses von Chlor auf das Formations-Bezugssignal in Kanal 1 gleich groß und einander entgegengesetzt machen, indem der Diskriminator eingestellt (vorgespannt),die Menge an Neutronen absorbierendem Werkstoff 50 entsprechend

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bones sen oder die beiden erstgenannten Maßnahmen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann der Neutronen absorbierende Werkstoff 50 aus einem Öamariurnoxydüberzug bestehen, welcher auf die Außenseite der Meßsonde und des Kristalls mit einer solchen Dicke aufgebracht ist, daß er im wesentlichen sämtliche thermische Neutronen einfängt, die durch die Samariumoxydschicht diffundieren. Der Anstieg in der Einfangs-Gammastrahlungskomponcnte läßt sich gegen die thermische Ileutronenkomponente durch Einstellung des Diskrim.i nators von Kanal 1 auf einen Hereich von 1,30 bis 2,92 MeV bei einem Abstand zwischen Quelle und Detektor von 400,0 mm ausgleichen. Der untere Grenzwert für den Diskriminator von Kanal 1 liegt in einem Bereich zwischen 0,8 bis 1,8 MeV und ist abhängig von dem Abstand zwischen Detektor und Quelle, den Kristallabmessungen, der Gehäusedicke, dem Gehäusewerkstoff, dem Bohrlochdurchmesser und dem Salzgehalt der Bohrlocliflüssigkeit.

Für niedrige Einstellwerte ist die thermische Neutronenkomponente höher als erforderlich, während für höhere Einstellwerte der erforderliche Wert unterschritten wird. Daher wird entsprechend einem Merkmal der Erfindung die Einstellung (Vorspannung) für den unteren Grenzwert von Kanal 1 beispielsweise bei 1,0 MeV gewählt und die Dicke der Samariumoxydabschirmung 50 entsprechend bemessen, damit sich die beiden Effekte gegenseitig aufheben. In diesem Falle sollte zwischen dem Kristall und dem Samarium ein zusätzlicher, Neutronen absorbierender Werkstoff wie z.B. Bor oder Lithium in ausreichender Dicke angeordnet werden, um die durch das Samarium durchgelassenen thermischen Neutronen zu absorbieren. Das ist aus dem Grunde erwünscht, weil weder Bor noch Lithium Neutroneneinfang-Gammastrahlung oberhalb 1,0 MeV emittieren und der Kristall durch thermische Neutronen nicht aktiviert wird. Zu diesem Zweck kann daher eine Schicht aus einem Neutronen einfangenden Werkstoff wie z.B. Bor zusätzlich zwischen

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dein IJeutroneneinfangwerks t:off 50 und dein Luminophor 30 vorgesehen sein.

Wenngleich zum Einfanden thermischer neutronen im Detektorbereich zwecks Neutralisierung des ChJoreffekts auf das Formations-Be^ugssignal in Kanal 1 bevorzugt Samarium zur Anwendung gelangt, lassen sich anstelle von Samarium auch andere Werkstoffe oder ggf. in Verbindung mit diesem verwenden. Bei einer Bohrlochsonde mit einem aus Stahl bestehenden Sondengehäuse verringert die manschettcnförmige Samariumabschirmung im wesentlicher, ganz die Eiseneinfangs-Gamrriastrahlung im Meßsignal. Das Eisen der Sonde weist für thermische Neutronen einen Einfangquerschnitt von 2,H3 barn auf. Im Vergleich dazu beträgt der Einfcingquerschnitt für Samarium etwa Fj800 barn. Eisen emittiert bei Einfang thermischer Neutronen Gammastrahlung bis zu 9,3 MeV, wohingegen Samarium Gammastrahlung bis zu 7,89 MeV emittiert.

Zur Ausführung der Erfindung lassen sich auch Europium oder Gadolinium verwenden. Gadolinium hat einen Einfangquerschnitt von 47000 barn und emittiert Neutroneneinfarigs-Gammastrahlung bis zu 7,7 8 MeV. Wie bereits ausgeführt, hat Chlor, dessen Einfluß in der resultierenden Anzeige des aufgefangenen Gammastrahlungssignals aufgehoben werden soll, einen Einfangsquerschnitt von etwa 32 barn und erzeugt Neutroneneinfangs-Gainmastrahlung bis zu etwa 8,56 MeV.

Unabhängig davon, ob Samarium oder ein anderer Werkstoff mit ähnlichen Eigenschaften oder eine Kombination derartiger Werkstoffe wie z.B. Samarium in Verbindung mit einem Stahlsondengehäuse verwendet wird, ist wichtig, daß der oder die verwendeten Werkstoffe insgesamt eine vorbestimmte Gesamtwirkung haben, die in Abhängigkeit von der thermischen lIeutronenboVolkcrung in unmittelbarer Nähe des Detektors zu einer derartigen Entwicklung eines Gamma-

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Strahlungssignals führt, bei dem die auf das Vorhandensein von Chlor im Bohrloch und in der Formation in der Nähe des DetektoiT> zurückzuführende Einfangs-Gammastrahlung gerade aufgehoben wird.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird eine

7 Neutronenquelle mit einer Intensität von 10 Meutronen pro Sekunde aus Plutonium-Beryll mit einem thalliumaktiviertcn Natriumjodidkristall-Strahlungsdetektor von 102 mm Länge und 51 mm Durchmesser vervjendet, wobei der Mittenabstand zwischen Neutronenquelle und Detektor 400,0 mm beträgt. Wenn das Stahlsondengehäuse in der Nähe des Detektors von einer manschettenförmigen Samariumoxydabschirmung umgeben ist, lassen sich die nachteiligen Einwirkungen von Chlor auf das Formations-Bezugssignal in Kanal 1 in sehr zufriedenstellender Weise aufheben, wenn der Kanal 1 so eingestellt ist, daß er in der vorstehend beschriebenen Weise nur auf Gammastrahlung im Bereich von 1,30 bis 2,92 MeV anspricht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform führt die Einstellung des Kanals 1 auf den Bereich von 1,3 bis 2,92 MeV nicht nur zur optimalen Neutralisierung des Chloreinflusses auf das Formations-Bezugssignal, sondern verringert außerdem auf ein Minimum andere störende lithologische Einflüsse auf das aufgefangene Signal. Eine zufriedenstellende Arbeitsweise läßt sich jedoch auch dann erzielen, wenn der Einstellbereich für Kanal 1 etwas abgeändert wird, so daß er angenähert den Bereich von 1,0 bis 3,0 MeV umfaßt.

Der Kanal 2 ist vorzugsweise entsprechend auf einen Bereich von 3,43 MeV und darüber eingestellt, um eine optimale Ausschaltung störender lithologischer Effekte zu erhalten. Dieser Bereich läßt sich jedoch ggf. verschieben, so. daß Strahlung von etwa 4,5 MeV und darüber angezeigt wird.

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Das obero Ende de:; Einsteilbereich& von Kanal 2 Ist nicht durch einen Grenzwert' beschränkt und in je dein Falle so bemessen, daß das volle lleutroneneinfangs-GammastrahlungSL-pektr.um oberhalb des eingegebenen unteren Grenzwerts (von vorzugsweise 3,H3 MeV) durchgelassen wird. In der Praxis reicht das Neutronen-Gainniastrahlungsspektrum bis zu etwa 8 oder 9 HeV, so daß der obere Grenzwert für die Einstellung von Kanal 2 ggf. auf diese Bereichswerte gebracht werden kann.' In jedem Falle p.iuß der Einstellbereich von Kanal 2 so bemessen sein, daß er den durch Einfangen thermischer Neutronen durch in der Formation vorhandenes Chlor erzeugten überwiegenden Teil der Neutronengainmastralilung umfaßt. Das wird dadurch erreicht, daß der Einstellbereich für Kanal 2 in der vorstehend beschriebenen Weise gewählt ist.

Es ist wichtig, daß die manschettenförrnige Abschirmung aus Neutroneneinfangswerkstoff um den Detektor herum einen verhältnismäßig großen Einfangs-Querschnitt für thermische Neutronen und ein Neutroneneinfangs-Gamrnastrahlungsspektrum aufweist, das überwiegend innerhalb des Einstellbereich'S für Kanal 1 und außerhalb "des Einstellbereichs für Kanal 2 liegt. Es ist wichtig, daß der Abschirmwerkstoff wie z.B. Samarium ein Einfangs-Gammaspektrum aufweist, das sich klar von dem Einfangs-Gammaspektrum von Chlor unterscheidet, damit die energiereichere Einfangs-Gammastrahlung von Chlor in Kanal 2 ermittelt wird und von Kanal 1 ausgeschlossen ist und der überwiegende Teil der von der Abschirmung emittierten lieutroneneinfangs-Gammastrahlung in Kanal 1 angezeigt wird und von Kanal 2 ausgeschlosssen ist. Aufgrund dieser Kombination von Merkmalen läßt sich das hier beschriebene ₅ optirnalisierte Chlorsystem erhalten.

Zum Zwecke der Stabilisiei^ung und des Schutzes der Szintillationszähler-Meßvorrichtung gegen hohe Bohrlocn-

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teinperaturen und Teinperaturschwankungen sind der Luniinophor 30, der Photovervielfacher 31 und der Vorverstärker 32 innerhalb einer isolierten Kammer 34 angeordnet, die vorzugsweise die Form eines Dewar-Gefäßes mit einer durch einen luftleeren Raum von einer Innenwand 3C getrennten Außenwand 3 5 aufweist. Die isolierte Kammer 34 ist mit einem abnehmbaren isolierten Deckelstopfen 37 versehen, der in den Halsabschnitt der aus dem Dewargefäß gebildeten isolierten Kammer 34 einsetzbar ist. Vorzugsweise ist an der Innenseite des isolierten Stopfens 37 eine Kühlmitte lkammer 38 mit einer Kammerwand 39 aus wärmeleitfähigem Werkstoff wie z.B. dünnem Aluminium befestigt, in der sich Eis 40 befindet. Die das Eis 40 enthaltende Kühlmittelkammer 38 gestattet, den innerhalb der isolierenden Kammer 34 befindlichen Szintillationsdetektor auf einer stabilen und niedrigen Temperatur zu halten, indem während des Meßvorgangs das Eis aus der festen in die flüssige Phase übergeht und eine Temperaturstabilisierung bewirkt. Zur Stabilisierung der Sondeninstrumente lassen sich selbstverständlich auch andere Verfahren und Vorrichtungen wie beispielsweise die in der U.S. Patentschrift 2 824 233 vom 18. 2. 1958 (Gerhard Herzog) beschriebenen verwenden.

Zur Steigerung der Empfindlichkeit des Formations-Bezugs- und Chlorsignals in Kanal 2 gegenüber Chlor sollte die Diskriminatorschaltung für Kanal 2 in der Weise eingestellt (vorgespannt) sein, daß sie Gammastrahlung oberhalb 3,4 3 MeV anzeigt, damit die in Kanal 2 angezeigte Gammastrahlung im wesentlichen aus der energiereicheren Gammastrahlung besteht, welche durch das Vorhandensein von Chlor in den durch Neutronen von der Quelle 2 6 bestrahlten For mationen verursacht wird.

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Trotz der Ausscheidung der auf Wa;:,sorstof f zurücknufuhrenden Einfangc-Gammastrahlung von 2,2 HeV im Signal von Kanal 2 (au.fgrund des Einstell^r-en^wertes von 3,43 HeV) ist die das Format.iori:;--Dui.',up₎s- und Chlor signal in Kanal 2 darstellende Gammastrahlung proportional sowohl dem V/asserstoffgeha.lt als auch dcii; Chlorgehalt der Formation. Von der Quelle kommende schnelle neutronen müssen abgebremst, d.h. auf den thermischen Bereich verlangsamt werden, bevor sie eingefangen werden und die Emission durch Neutronen induzierter Gammastrahlung verursachen können. Die Empfindlichkeit des Formatiohs-Bezugs- und Chlorsignals gegenüber VJasserstoff in diesem Kanal ist darauf zurückzuführen, daß VJan serstof f, welcher das leichteste Element darstellt, in erster Linie für das Abbremsen der von der Quelle abgegebenen schnellen Neutronen auf den thermischen Bereich verantwortlich ist. Die Empfindlichkeit des Signals in Kanal 2 gegenüber Chlor ist in hohem Maße darauf zurückzuführen, daß der gemessene Gammastrahlungsfluß auf die Emission beim Einfangen der thermischen Neutronen durch Chlor beruht.

Zur Stabilisierung der Lage der Bohrlochsonde während des ganzen Meßvorgangs ist ein zum Dezentrieren der Sonde dienender Federbügel 4 5 vorgesehen, der an seinem oberen und unteren Ende 46 bzw. 47 derart an der Sonde 17 befestigt ist, daß er sich frei verbiegen kann, wenn die Sonde an Unebenheiten an der Seitenwand des Bohrlochs 10 vorbeigeführt wird. Das wird in bekannter V/eise dadurch erreicht, daß der Federbügel 45 an seinem oberen und unteren Ende beispielsweise vermittels (nicht dargestellter) Langlöcher· an dem Federbügel 45 gleitend verschiebbar an der Sonde 17 gelagert ist.

Meßverfahren für Chlor vermittels künstlicher Radioaktivität beruhen darauf, daß der Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen von Chlor um eine Größenordnung

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größer¹ ist als die entsprechenden Querschnitte in Sedimenten der Erdrinde auftretender Hauptelemente. Entsprechend der Erfindung werden zwei Messungen kontinuierlich und gleichzeitig vermittels der Chlormeßvorrichtung in der¹ Form tiefenabhängiger Meßkurven durchgeführt, die jeweils ein Formationc-Chlorsignal (Γ-C'l-Signal) , das" manchmal auch als Formations-Bezugs- und Chlorsignal bezeichnet ist, und ein Forir.at.ions-Bezugssignal (FR-Signal) darstellen.' Die Auswertung der Kurven im Hinblick auf den Chlorgehalt und den Wassersättigungsgrad der Formation erfolgen durch Vergleichen dieser beiden Kurven, welche unterschiedliche Funktionen des Chlorgehalts der gemessenen Formationen darstellen. ,Vergleich und Auswertung erfolgen üblicherweise durch Überlagerung beider Kurven und Beobachtung der Abweichung der F-Cl-Kurve von der FR-Kurve oder durch Übertragung der Heßwerte in kartesische Koordinaten. Beim letzteren Verfahren wird eine Darstellung entsprechend Fig. 3 erhalten. Alle Punkte, welche die verschiedenen Reservoirformationen eines vermessenen Formationsabschnitts darstellen, liegen auf oder zwischen zwei nahezu parallelen Kurven. Diese beiden Kurven sind die geometrischen örter der Formation mit dem höchsten und dem niedrigsten Formations-Salzgehalt, d.h. entsprechen mit Salzwasser gefüllten oder mit Frischwasser oder öl gefüllten Formationen. Bereiche mijt dazwischenliegendem Flüssigkeits-Salzgehalt erscheinen zwischen den Kurven. Kurven für Zwischenwerte des Salzgehalts lassen sich zwischen den Kurven für höchsten und niedrigsten Salzgehalt einzeichnen, so daß es dann möglich ist, jeder vermessenen Formation einen Flüssigkeits-Salzgehalt zuzuordnen.

Im Idealfall sollten die gemessenen Formations-Salzgehalte nicht durch die Formationsporosität, Tonigkeit (shalyness), (Borgehalt) und durch die Lithologie beeinflußt sein.

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Entsprechend der Erfindung wird durch Einfang thermischer Neutronen erzeugte Gammastrahlung in zwei Gammastrahlung^-· Lnergiebereicli'.ii von 1,3 bis 2,92 HcV und einem alle Gammastrahlungsenergien oberhalb 3,M3 MeV erfassenden Bereich gemessen. Bei dein Detektor handelt es sich um einen Natriumiodid (TD-Szintillationsde Lektor von 51 mm Durchmesser und 102 mm Länge, der in einem llittenabstand von 400,0 iimi von einer Plutoniuni-Beryll-Neutronenquelle mit

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einer Intensität von 10 Neutronen/Sekunde angeordnet ist. Als Abschirniungswerkstof f zwischen neutronenquelle und Detektor wird Blei verwendet. Quelle und Detektor sind in ein Stahlgehäuse eingesetzt, das mit einer Samariumoxydabschirmung (SnuO-) ummantelt ist. Die Samariumoxydummantelung bewirkt in Verbindung mit den vorgenannten Gammastrahlungsenergiebereichen eine effektive Ausschaltung der Porositäts- und Schiefertoneinflüsse (Bor) auf die VJassersättigungsmessungen. Die Einflüsse der Lithologie sind ebenfalls auf ein Minimum herabgesetzt.

In Fig. 4 ist das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Chlormeßvorrichtung, jedoch ohne Samariumoxydmanschette für verrohrte Kalksteinformationen mittlerer und hoher Porosität dargestellt. Aus dieser Figur ist der Einfluß von in der Formation enthaltenem Bor auf die Messung ersichtlich. Die Gesamtwirkung ergibt sich aus Veränderungen der Eohrlochkomponente und der Formationsbestandteile, welche sich vektoriell addieren und in einer mit Frischwasser gefüllten Formation eine fälschliche Anzeige für Salzwasser liefern.

In den Figuren 4 und 5 werden zur Darstellung von mit Frischwasser gesättigtem Kalkstein, mit Salzwasser gesättigtem Kalkstein und von mit Bor in Frischwasser gesättigtem Kalkstein die gleichen Symbole verwendet.

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Figur 5 zeigt das Ansprechverhalten der gleichen Vorrichtung, jedoch mit einer Samariumoxydmanschette für die gleichen Formationen wie die der Fig. 4. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, bewirkt das zusätzliche Bor keine nennenswerte Veränderung der Frischwasser- oder Ölanzeige in der Formation. Dieses Verhalten wird dadurch erzielt, daß die Veränderungen des Bohrlochs und der Formationsbestandteile darstellenden Vektoren parallel zueinander und in Richtung einer scheinbaren Porositätszunahme verlaufen.

Es ist zu beachten, daß in beiden Darstellungen der Fig. und Fig. 5 die Richtung des FormatJonsbestandteilvektors die gleiche ist und die Richtung im Falle der Fig. 5 durch die zusätzliche Samariumoxydmanschette in Richtung des Formationskomponentenvektors gedreht worden ist. Im Gegensatz zu Fig. U sind in Fig. 5 die sich addierenden Bohrloch- und Formations-Borvektoren parallel den Salzwasser- und Frischwasserlinien.

Die Aufgabe der Samariumoxydmanschette besteht darin, in der Nähe des Detektors vorhandene thermische Neutronen in Gammastrahlung ζμ verwandeln, welche von dem Natriumjodid (Tl) - Szintillationsdetektor aufgefangen werden kann.

Der Verlauf des Neutroneneinfangs-Garnmastrahlungsspektrums von Samarium ist in Fig. 6 dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, fällt ein großer Teil des Samarium-Gammastrahlungsspektrums innerhalb des Bereichs von 1,3 bis 2,92 MeV des FR-Signals, während ein kleinerer Anteil innerhalb des Bereichs des F-Cl-Signals liegt. Da der NaI (Tl)-Detektor die energiereichere Gammastrahlung mit geringerem Wirkungsgrad auffängt, beträgt der Betrag der im Bereich von 1,3 bis 2,92 MeV gezählten Samarium-Gammastrahlung etwa das zehnfache der im Bereich oberhalb 3,43 MeV. Andere Elemente mit größerem Einfangquerschnitt und

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einem mit Samarium vergleichbaren Einf angs-Gairimaspektrum für thermische neutronen sind Europium, Gadolinium und andere Elemente der seltenen Erden. Die Dicke der aus diesen Elementen bestehenden Manschetten sollten so bemessen sein, daß sie den größten Teil der auftreffenden thermischen Neutronen einfangen.

Zur Ausführung einer Eohrlochvermessung mit künstlicher Radioaktivität (well log) zwecks quantitativer und qualitativer Bestimmung des Chlorgehalts der Erdformationen, durch die das Bohrloch niedergebracht ist, sollte der prozentuale Salzgehalt des in der Bohrung und den Formationen enthaltenen V/assers vorzugsweise entweder durch Probennahme oder zumindest durch Bezugnahme auf frühere Meßwerte des zu erwartenden Salzgehalts bestimmt werden. Die Angaben über den Salzgehalt stellen Bezugswerte zum Eichen und Einstellen der Meßvorrichtung und Auswerten der er haltenen Meßergebnisse dar.

Das Meßgerät läßt sich für ein Bohrloch mit vorgegebener Chlorsättigung in der Weise eichen, daß es in einen Formationsbereich gebracht wird, von dem bekannt ist, daß er zu 100 % oder einem anderen bekannten Prozentwert mit Salzwasser gesättigt ist, wobei dann die gemessenen Strahlungswerte festgehalten werden. Das Ansprechverhalten wird vorzugsweise so eingestellt, daß es einem gewünschten Wert oder Stellung des Aufzeichnungsträgers entspricht. In entsprechender Weise sollte dann das Instrument in einen Formationsbereich mit 100 %-iger ölsättigung oder einer bestimmten, bekannten prozentualen Sättigung gebracht werden, die vorzugsweise dem gleichen Prozentwert wie dem für die Eichung des Salzwasseransprechvermögens gewählten entspricht, wobei das Instrument so eingestellt wird, daß auf dem Aufzeichnungsträger ein bestimmter Wert angezeigt wird. Zur leichteren Auswertung wird das Aufzeichnungsgerät der Meßvorrichtung vorzugsweise so eingestellt» daß

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das Formations-Bezugssignal in Kanal 1 und das Formations-Bezugs- und Chlorsignal in Kanal 2 für Formationen unterschiedlicher Porosität eingestellt sind. Dadurch ist gewährleistet, daß sowohl der Detektorteil für das Bezugssignal als auch der Detektorteil für das Bezugs- und Chlorsignal im wesentlichen gleich hoch empfindlich gegenüber dem-Wasserstoffgehalt (Porosität) und unabhängig davon sind, ob dieser einen Bestandteil von öl oder Wasser bildet. Wenn sich das Instrument dann gegenüber einem Salzwasser enthaltenden Bereich befindet, ist jeder Unterschied zwischen den beiden Signalen auf das Vorhandensein von Chlor als Bestandteil des Salzwassers zurückzuführen. Mit einer in dieser Weise geeichten Vorrichtung zeigt das Bezugs- oder Porositätssignal den Öl- oder Wassergehalt der Formation an, während jede Abweichung zwischen Bezugssignal und Bezugs- und Chlorsignal eine Anzeige dafür ist, daß das Formations-Bezugs- oder Porositätssignal auf einen der Abweichung zwischen den beiden Signalen proportionalen Salzwassergehalt zurückzuführen ist. Wenn das Formations-Bezugssignal eine hohe Porosität, d.h. Wasserstoffkonzentration anzeigt und das Bezugs- und Chlorsignal im wesentlichen mit dem erstgenannten Signal übereinstimmt, ergibt sich eine gute Anzeige für das Vorhandensein von öl in der Formation, wobei gleichzeitig die genaue Menge desselben angezeigt wird. Wenn das Bezugssignal einen* hohen Wert annimmt, jedoch das Bezugs- und Chlorsignal weit von diesem abweicht, wird eine Anzeige dafür erhalten, daß die Formation weitgehend mit Salzwasser gefüllt ist, wobei der Grad der Abweichung zwischen den beiden Signalen die Salzwassermenge in bezug auf die GesamtSättigung anzeigt.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch mehrere Erdformationen stellvertretend für solche Formationen dargestellt, durch welche ein Bohrloch niedergebracht sein kann und welche sich vermittels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Bohr-

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lochsonde 17 beispielsweise der in Fig. 1 dargestellten Ausführung vermessen lassen. Die in diesem Schaubild aufgetragenen Heßkurven für die Er df orn:at ionen zeigen jeweils natürliche Gammastrahlung, Eigenpotential und die kleine Normale des Widerstands, sowie zwei Chlormessungen mit künstlicher Radioaktivität, die den typischen Verlauf der vermittels der Sonde 17 erhaltenen Meßkurven zeigen. Zum Zwecke der Veranschaulichung sei angenommen, daß die zweite Chlormeßkurve einige Zeit nach der ersten Meßkurve aufgezeichnet worden ist und sich der Öl-Wasser-Grenzbereich beispielsweise durch Erschöpfung in der Zwischenzeit verlagert hat, wie weiter unten erläutert ist. Die Aufzeichnung zeigt eine erste Kurve H der in Kanal 1 gemessenen Strahlungsintensität (welche zur rechten Seite der Aufzeichnung größere Vierte aufweist) und den Wasserstoff gehalt der Formation darstellt, sowie eine zweite Kurve H & Cl der in Kanal 2 gemessenen Strahlungsintensität (mit ebenfalls nach rechts zunehmenden Vierten) , welche sowohl den Wasserstoff- als auch den Chlorgehalt der Erdformationen anzeigt. Der Verlauf der Kurve H zeigt die Wasserstoffmenge, d.h. die Porosität der Formation an. Bereiche einander entsprechenden Kurvenverlaufs der beiden Kurven zeigen das Vorhandensein von Öl oder Frischwasser an, und in Bereichen, in denen das H & Cl-Signal größer ist als das Η-Signal wird das Vorhandensein von Salzwasser angezeigt. Im Bereich unmittelbar unterhalb 824,4 m (2705 Fuß) ist öl oder möglicherweise Frischwasser angezeigt. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit hat sich der Öl-Salzwasser-Gehalt am unteren Ende dieses Bereichs von 841,2 m (2760') bei der ersten Chlorir.essung nach oben auf 830,5 m (2725') verlagert, wie bei der zu einem späteren Zeitpunkt vorgenommenen zweiten Chlormessung angezeigt ist. Im Bereich gerade unterhalb 1243,6 in (408O¹) ist eine Anzeige für Salzwassersättigung. Im Bereich gerade unterhalb 758,9 m (2450*) ist eine Anzeige für niedrige Poro-

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si tat gegeben, da sowohl die Η-Kurve als auch die II & Cl--Kurve verhältnismäßig niedrige V.'erte aufweisen. Im Bereich gerade unterhalb 807,7 in (265O¹) liefert die erste Chlormeßkurve eine Anzeige, die als Gemisch von Salzwasser 'und Öl ausgelegt werden kann, jedoch bei der zweiten Kurve lediglich eine Auslegung als Salzwasser zuläßt.

Wenngleich die beiden, jeweils den Wasserstoffgehalt bzw. den Wasserstoff- und Chlorgehalt anzeigenden Signale bei dem hier dargestellten Ausf ülirungsbeispiel auf ein und demselben Aufzeichnungsträger aufgetragen sind, lassen sie sich selbstverständlich auch getrennt voneinander auf zwei verschiedenen Aufzeichnungsträgern auftragen, wobei, dann die Auslegung der beiden Aufzeichnungen in der Weise erfolgt, daß diese übereinander gelegt werden, so daß sich einander entsprechende Schwankungen und Abweichungen der beiden Meßkurven interpretieren lassen. In diesem Fall wird die Meßvorrichtung iri der Weise eingestellt, daß die beiden Meßsignale Abweichungen im gleichen Maßstab zeigen.

Anstelle der getrennten Aufzeichnung von Wasserstoff- und Wasserstoff- und Chlorsignal kann auch nur ein einziges Signal, vorzugsweise, das den Wasserstoffgehalt anzeigende Signal, zusammen mit einem entsprechenden Bezugssignal aufgezeichnet werden, welches das Verhältnis oder den Unterschied zwischen dem Wasserstoff- und dem Wasserstoff- und Chlorsignal anzeigt.

Weiterhin ist es möglich, das den Wasserstoffgehalt anzeigende Signal in Abhängigkeit von dem den Wasserstoff- und Chlorgehalt anzeigenden Signal aufzutragen, wobei in diesem Falle eine gerade Linie öl oder Frischwasser an zeigt und Abweichungen von der geraden Linie den Chlorgehalt darstellen.

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Die Meßsignale für Kanal 1 und Kanal 2 können auch magnetisch aufgezeichnet und entweder in Analog- oder Digital form einem Rechner augeführt'werden, dor vermittels einen entsprechenden ir-athoinntischcn Rechnerprograrr.nü ein Endsignal liefert, das Unterschiede oder Abweichungen zwischen den Signalen für Kanal 1 und Kanal 2 oder, auch den aufeinander bezogenen Verlauf der beiden Signale anzeigt.

Zur¹ Ausführung einer Vermessung vermittels der hier dargestellten Vorrichtung wird die Bohrlochsonde 17 vorzugsweise in das Bohrloch unter den zu vermessenden Bohrlochbereich herabgelassen und dann mit vorbestimmter, gleichmäßiger Geschwindigkeit in dem Bohrloch nach oben bewegt, wobei die Ausgänge der beiden Detektorkanäle über das Seilkabel 16 und das Oberflächengerät dem Aufzeichnungsgerät zugeführt werden. Die Intensität, d.h. die Irnpulsfolgegeschwindigkeit der in beiden Kanälen aufgefangenen Strahlung wird in Zuordnung zur Position der Bohrlochsonde innerhalb des Bohrlochs aufgezeichnet.

Korrekturliste

Seite 27, 3. Zeile von unten: streiche "1243,6m (4080·)"»

setze ein "890,02m (2920·)"

Figur 3: 140 BOPD « 22,260 m³ öl pro Tag 95 MCF =* 2690 m⁵

- Patentansprüche _

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Claims

ρ r ii ο h ο

ί 1 J Vorführe;! zur Venue::;sun^ der von einem Bohrloch durchdrungenen Krdf ormiitii onen mit künstlicher Radioaktivität durcli Durchführen einer schnellen Heutroncnciuelle durch das Bohrloch, Bestrahlen der Formationen an aufeinanderfolgenden Bohrlochabsohnitten und gleichzeitiges Durchführen eines zur Anzeige von sich aus dieser. Bestrahlungergebender Gamma:: crahliing in dem Bohrloch dienenden Gamma-Strahlungsdetektors, dadurch gekennzeichnet, daß ein proportional arbeitender Gainmastrahlungsdetektor (28) verwendet wird, der eine Abschirmung (50) aus einem vorbestimmten Werkstoff aufweist, welcher durchtretende thermische Neutronen einfängt und eine Gammastrahlung im wesentlichen innerhalb eines ersten Energie bereichs emittiert, aus der in dem Bohrloch auf den Detektor auftreffenden Gammastrahlung ein Gammastrahlung in diesem ersten Bereich entsprechendes erstes Heßsignal und ein Gammastrahlung in einem zweiten Bereich entsprechendes zweites Meßsignal von dem Detektor hergeleitet wird, wobei der erste Energiebereich so gewählt wird, daß er wenigstens einen großen Teil des energieschwächeren Bereichs des Neutroneneinfang-Gammastrahlungsspektrums von Chlor umfaßt, einen unteren Grenzwert bei etwa 1 MeV oder darüber und einen unterhalb des zweiten Bereichs liegenden oberen Grenzwert aufweist, der zweite Energiebereich so gewählt wird, daß er wenigstens einen großen Teil des energiehöheren Bereichs der, Neutroneneinfang-Gammastrahlungsspektrums von Chlor umfaßt und einen oberhalb des ersten Bereichs liegendsn unteren Grenzwert aufweist, das im ersten Bereich erhaltene Signal ein weitgehend Wasserstoff anzeigendes Formations-Bezugssignal und das im zweiten Bereich erhaltene Signal ein weitgehend Wasserstoff als auch Chlor anzeigendes Formations-Bezugs- und Chlorsignal darstellt, und daß erstes und

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zweites Meßsignal in gegenseitiger Zuordnung in der Weise aufgetragen bzw. aufgezeichnet v/erden, daß einander entsprechende Signalabschiiitte Wasserstoff in den Formationen und Unternclriede zwischen den beiden Signalen Chlor in den Formationen anzeigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Energiebereich derart gewählt wird, daß er einem Gammastrahlungsbcreieh von im wesentlichen 1,3 MeV bis 3,0 MeV entspricht, durch den Detektor (28) Gammastrahlung aufgefangen wird, die sich aus der durch Ileutronenbeschuß der Erdforniationen entlang dem Bohrloch erzeugten und aus der durch Neutroneneinfang der Detektorabschirmung emittierten Gammastrahlung zusammensetzt, und der zweite Energiebereich derart gewählt wird, daß er von etwa 4 MeV an zu höheren Vierten reicht und wenigstens den überwiegenden Teil der durch Neutroneneinfang erzeugten, en ergiere icher en Gammastrahlung von Chlor· umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Abschirmung aus einem vorbestimmten Werkstoff zurückzuführende Neutronen-Gammastrahlungskomponente in der Weise abgestimmt wird, daß sie den Einfluß von in der Formation enthaltenem Bor auf die erhaltenen Signale aufhebt.

H. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, mit einer in ein durch mehrere Erdformationen durchgeführtes Bohrloch einführbaren Meßsonde, welche eine zum Beschießen der Erdformationen entlang dem Bohrloch dienende Quelle schneller Neutronen und einen zum Auffangen der durch den Neutronenbeschuß der Erdformationen durch die Quelle in dem Bohrloch erzeugten Strahlung dienenden Strahlungsdetektor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor

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(28) aus einem proportional arbeitenden Gammastrahlungsdetektor (28, 30) in Verbindung mit einem nachgeschalteten" Impulshöhenanalysator (33) besteht, der zur Abgabe von Ausgangssignalen in wenigstens zwei, jeweils einem ersten· und einem zweiten Energiebereich entsprechenden Kanälen ausgelegt ist, das strahlungsempfindliche Volumen des Meßsondendetektors mit einer Abschirmung (50) aus einem vorbestimmten Werkstoff im wesentlichen umgeben ist, der einen verhältnismäßig großen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen und ein überwiegend innerhalb des ersten Energiebereichs und im wesentlichen außerhalb des zweiten Energiebereichs liegendes kennzeichnendes Neutroneneinfangs-Gammastrahlungsemissionsspektrum aufweist, wobei der erste Energiebereich so gewählt ist, daß er einen großen Teil des Neutroneneinfang-Gammastrahlungsspektrums von Chlor umfaßt und einen bei etwa 1 MeV oder darüber liegenden unteren Grenzwert und einen unterhalb des zweiten Energiebereichs liegenden oberen Grenzwert aufweist, der zweite Energiebereich so gewählt ist, daß er einen großen Teil des Neutroneneinfang-Gammastrahlungsspektrums von Chlor umfaßt und einen oberhalb des ersten Bereichs liegenden-unteren Grenzwert aufweist, und wobei das im ersten Kanal erhaltene Signal aus einem weitgehend Wasserstoff anzeigenden Formations-Bezugssignal und das im zweiten Kanal erhaltene Signal aus einem weitgehend V/asserstoff und Chlor anzeigenden Formations-Bezugs- und Chlorsignal besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Energiebereich einem Gammastrahlungsbereich von 1,3 MeV bis etwa 3,0 MeV, und der zweite Energie bereich einer Gammastrahlung von etwa 4 MeV und höher entspricht und wenigstens den überwiegenden Teil der energiereicheren Neutroneneinfang-Gammastrahlung von Chlor umfaßt.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der vorbestimmte Abschirmungswerkstoff aus Samarium besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch H oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abschirmungswer-kstoff aus Gadolinium besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch '4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abschirmungswerkstoff aus Europium besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heßsonde (17) ein Gehäuse (25) aufweist, das wenigstens den strahlungsempfindlichen Abschnitt (30) des Gammastrahlungsdetektors (28) umgibt, und daß die aus einem vorbestimmten VJerkstoff bestehende Abschirmung (50) wenigstens den den strahlungsempfindlichen Detektorabschnitt umgebenden Gehäuseteil im wesentlichen umgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abschirmungswerkstoff aus in einem Bindemittel enthaltenem Samariumoxyd besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Samariumoxyd in einem Epoxydharzbindernittel eingebettet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Energiebereich Gammastrahlung von 1,3 bis 2,92 MeV, und der zweite Energiebereich Gammastrahlung von etwa 3,43 MeV bis zu wenigstens etwa 8 MeV entspricht.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungseinpfängerabschnitt des Detektors aus einem mit Thallium aktivierten Natriumjodidkristall-Lurninophor (30) besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsernpfängerabschnitt des Detektors (28) in Instrumentlängsachse entsprechend der normalen Fortbewegungsrichtung des Instruments dux'ch das Bohrloch in einem Abstand von der Neutronenquelle (26) angeordnet ist und der Mittenabstand zwischen Neutronenquelle und Strahlungsempfängerabschnitt des Detektors im wesentlichen 400 mm entspricht.

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