DE2245833B2 - Geophysikalische Neutron-T-Bohrlochmeßapparatur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine geophysikalische Neutron-Gamma-Bohrlochmeßapparatur der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Derartige Apparaturen umfassen bekannterweise Geräte zur Erzeugung von Neutronen und Geräte zur Registrierung der Gammastrahlung, wobei diese Geräte in einer Sonde untergebracht sind, die im Bohrloch an einem Vermessungskabel aufgehängt ist und das Bohrloch durchfährt. Über Tage sind ferner Geräte angeordnet, die die durch die Gammastrahlung erzeugten elektrischen Signale auswerten. Da sowohl die Impulshöhe als auch die Anzahl der gemessenen Impulssignale Informationen liefern, sind Linearität und Reproduzierbarkeit der von den Impulssignalen durchlaufenen Schaltungen von großer Bedeutung.

Es ist allgemein bei der Messung der Spektren von radioaktiver Strahlung bekannt (US-PS 32 70 205), die Energiemeßeinrichtung, die Meßimpulse mit einer der Energie der jeweiligen Quanten entsprechenden Impulshöhe erzeugt, dadurch hinsichtlich ihrer Verstärkung zu regeln, daß von bestimmten Kanälen des Impulshöhenanalysators, die einen Spitzenenergiewert des gemessenen Spektrums einschließen, ein Fehlersignal abgeleitet wird und mittels dieses Fehlersignals die Verstärkung der Energiemeßeinrichtung so gesteuert wird, daß der Spitzenenergiewert stets zwischen den beiden Kanälen gehalten wird.

Es ist ferner im Zusammenhang mit geophysikalischen Bohrlochvermessungen bekannt (US-PS 28 88 568), Gammaspektren, die man z. B. durch Abfotografieren von einem Oszilloskop innerhalb des Bohrlochs erhalten hat, in der Weise bestimmten Energien zuzuordnen, daß man sich an bekannten Spitzenergiewerten, die in dem jeweiligen Spektrum auftreten, orientiert, wobei es sich um Gamma-Spitzenenergiewerte handeln kann, die auf Neutronenbestrahlung der Kerne von Wasserstoff, Kohlenstoff, Aluminium, Kalium und anderen Elementen hervorgerufen werden, dabei findet insbesondere der »Peak« von 2,23 MeV zur Eichung Verwendung.

Es ist eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Bohrlochmeßapparatur bekannt (US-PS 29 56 165), bei der sowohl die Energiemeßeinrichtung als auch der Impulshöhenanalysator in der im Bohrloch befindlichen Sonde untergebracht sind und die eine Regelung der Verstärkung der die Energie der Gammaquanten messenden Meßeinrichtung in der Weise vornimmt, daß ein Bezugs-Spitzenenergiewert innerhalb eines durch zwei Kanäle definierten Fensters gehalten wird. Zur Bildung der beiden Meßkanäle ist zusätzlich zu dem Impulshöhenanalysator, der das zu messende Spektrum analysiert, ein gesonderter Impulshöhenanalysator vorhanden, an dessen Ausgang das zur Verstärkungsregelung dienende Stellsignal erhalten wird. Der Bezugs-Spitzenenergiewert wird durch eine Eichstrahlungs-Gammaquelle erzeugt, die innerhalb der Meßsonde untergebracht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geophysikalische Neutron-Gamma-Bohrlochmeßapparatur der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der die Verstärkungsregelung der Energiemeßeinrichtung mit einem möglichst geringen apparaturmäßigen Aufwand durchgeführt wird.

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal erfindungsgemäß gelöst.

Es liegt die Erkenntnis vor, daß man trotz der starken Änderungen, die das gemessene Gammaspektrum beim Durchfahren des Bohrlochs erfährt, den Wasserstoff-Spitzenenergiewert von 2,23 MeV, der in der Regel stets vorhanden sein wird, wenn auch in mehr oder weniger ausgeprägter Form als Referenzwert zur Verstärkungsregelung der Energiemeßeinrichtung verwenden kann. Die Notwendigkeit einer besonderen Eichstrahlungsquelle entfällt dabei.

Die bevorzugte Ausführungsform gemäß Patentanspruch 2 hat den Vorteil, daß eine bereits vorhandene Bohrlochmeßapparatur mit an der Erdoberfläche angeordnetem Impulshöhenanalysator in einfacher Weise mit einer derartigen Verstärkungsregelung versehen werden kann, indem man als zusätzlichen Apparaturteil im wesentlichen nur die Vergleichsstufe vorsieht, die eingangsseitig an die betreffenden Kanäle des Impulshöhenanalysators und ausgangsseitig an die Einstellklemme der Energiemeßeinrichtung angeschlossen wird, während die Meßsonde selbst unverändert bleibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Bohrlochmeßapparatur und

F i g. 2 ein Diagramm, das ein Gammastrahlungsspektrum einschließlich des zur Verstärkungsregelung verwendeten Spitzenenergiewertes von 2,23 MeV zeigt.

Nach F i g. 1 ist eine Meßsonde 2 an einem Ende eines Bohrlochvermessungskabels 18 aufgehängt und liefert Daten in Form elektrischer Impulse an die mit dem anderen Ende des Vermessungskabels 18 verbundenen, über Tage angeordneten Geräte.

Die Meßsonde 2 besteht aus einem langgestreckten,

für Flüssigkeit undurchlässigen Stahlgehäuse, das in Längsrichtung durch ein Bohrloch 4 in Erdschichten 3 geführt wird und eine Neutronenquelle 6 sowie einen Strahlungsdetektor 10 enthält, bestehend aus einer Fotovervielfacherröhre 11 und einem Szintillationszähler 12. Die umliegenden Erdschichten 3 werden von der Neutronenquelle 6 mit energiereichen Neutronen beschlossen, z. B. solchen Neutronen, die mit der bekannten Deuterium-Tritium-Reaktion (14-MeV-Neutronen) erhalten werden, während die Meßsonde 2 am Vermessungskabel 18 im Bohrloch 4 vertikal nach oben geführt wird. Der Strahlungsdetektor 10 mißt eine repräsentative Anzahl Gammastrahlen, die aufgrund des Neutronenbeschusses der Erdschichten 3 von diesen zurückgestrahlt werden. Zwischen dem Strahlungsdetektor 10 und der Neutronenquelle 6 ist ein Strahlungsschirm 9 angeordnet, um einer direkten Bestrahlung des Strahlungsdetektors 10 durch die Neutronenquelle 6 vorzubeugen.

Die von der Neutronenquelle 6 erzeugten energiereichen Neutronen durchdringen leicht eine Stahlverrohrung 19 und eine Zementschicht 7, von der die Verrohrung umgeben ist, und treten in die umliegenden Erdschichten 3 ein. Die sofort aus unelastischer Streuung der Neutronen resultierenden Gammastrahlen und/oder die erst später durch Neutroneneinfang entstehenden Gammastrahlen, die von den Elementen der umliegenden Erdschichten 3 zurückgestrahlt werden, treten in den Szintillationszähler 12 ein, der aus mit Thallium überzogenem Natrium, Cäsiumjodid oder einem ähnlichen Material besteht. Das daraus resultierende Aufblitzen wird durch die Fotovervielfacherröhre 11 in elektrische Impulse umgesetzt, deren Höhe der Intensität der Lichtblitze proportional ist. Ein Energiediskriminator 13 läßt nur Impulse mit einer oberhalb eines bestimmten Werts liegenden Impulshöhe zu einen Verstärker 14 durch und von dort zu einer Kabelanschlußstufe 15 zur Übertragung durch das Vermessungskabel 18 nach über Tage.

Normalerweise ist das Bohrloch 4, während des Meßvorgangs mit einer Bohrflüssigkeit 20 gefüllt. Diese Flüssigkeit weist gewöhnlich öl, Wasser oder Bohrschlamm auf. Jede dieser Flüssigkeiten enthält einen wesentlichen Anteil Wasserstoff und zeigt daher in ihrem Gammastrahlungsspektrum einen ausgeprägten Wasserstoff-Spitzenenergiewertvon 2,23 MeV. Dieser genau bekannte Spitzenenergiewert wird, wie nachfolgend erläutert wird, zur Steuerung des Gesamtverstärkungsfaktors der Anordnung benutzt, um deren Linearität aufrechtzuerhalten.

Wenn die Impulse zum richtigen Zeitpunkt, der durch von einem Taktgeber 22 erzeugte Taktinpulse bestimmt wird, an einen Gatter 21 der über Tage befindlichen Anordnung eintreffen, so werden sie zur Analysierung ihrer Impulshöhe weitergegeben. Die Impulse vom Taktgeber 22 weiden ferner an das Vermessungskabel 18 zur Steuerung der im Bohrloch befindlichen Neutronenquelle über einen Impulsschaltkreis 8 gegeben, der den Beschleuniger 16 der Neutronenquelle 6 steuert. Auf diese Weise wird die Neutronenquelle 6 mittels der vom Taktgeber 22 abgegebenen Taktinformation an- und abgeschaltet, wodurch die über Tage befindlichen Verarbeitungseinrichtungen mit den im Bohrloch befindlichen Einrichtungen synchron gehalten werden. So kann z. B. der Taktgeber 22 ein Zeitsteuersignal an den Impulsschaltkreis 8 anlegen, um den Beschleuniger 16 für eine vorbestimmte Zeitdauer einzuschalten. Gleichzeitig

kann der Taktgeber 22 ein Signal an das Gatter 21 anlegen, um einen Zählvorgang während der Erzeugung des Neutronenimpulses durch die Neutronenquelle 6 zu verhindern. Auf diese Weise erreichen den Impulshöhenanalysator primär auf Einfangvorgängen beruhende Meßimpulse. In jedem Fall enthalten die Eingangssignale, die den Impulshöhenanalysator über eine Leitung 23 erreichen, eine Anzahl Impulse, deren Amplitude für die Gammastrahlungsenergie bezeichnend ist.

Das Eingangssignal in der Leitung 23 wird durch einen Verstärker 24 verstärkt Der Verstärker 24 ist als Linearverstärker mit großem Amplitudenbereich ausgebildet, dessen Verstärkungsgrad durch ein Stellsignal auf einer Leitung 25 eingestellt wird. Das verstärkte Signal wird dann an einen Integrator 26 angelegt, der einen Spannungswert proportional zur Höhe des Eingangssignals erzeugt und zeitweilig speichert. Der Integrator 26 gibt gleichzeitig einen Öffnungsimpuls über eine Leitung 27 zum einen Gatter 28. Dieser Öffnungsimpuls ermöglicht es dem Gatter 28, von einem Hochfrequenzoszillator 29 erzeugte Impulse durchzulassen. Diese Impulse passieren das Gatter 28 und werden in einem Kanaladressenregister 30 während der gesamten Zeit, in der das Gatter 28 geöffnet bleibt, summiert. Das Gatter 28 bleibt in der Offenstellung, solange der Integrator eine Spannung an die Leitung 27 abgibt, die über dem Bedingungswert des Gatters 28 liegt.

Die vom Integrator 26 abgegebene Spannung, die anfänglich der Eingangsimpulshöhe proportional ist, wird über einen Belastungswiderstand (nicht gezeigt) entladen. Nach einer bestimmten Zeitdauer fällt die Spannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert. Zu diesem Zeitpunkt beendet der Integrator 26 die Zufuhr des Öffnungsimpulses über die Leitung 27 zum Gatter 28, und daher wird der Ausgang des HF-Oszillators 29 blockiert, so daß keine weitere Summierung im Kanaladressenregister 30 erfolgt.

Zu diesem Zeitpunkt ist in das Kanaladressenregister 30 eine Binärzahl eingespeichert, die für die Gammastrahlenenergie bezeichnend ist, die zu dem Eingangsmeßimpuls geführt hat. Diese Binärzahl, die als Adresse eines bestimmten Energiekanals angesehen werden kann, wird dazu benutzt, einem der Kanalregister 31 einen Index zu geben. Ein Kanalleseregister 32 wird zur Prüfung des Inhalts des speziellen mit einem Index versehenen Kanalregisters benutzt. Der Inhalt des Kanalregisters wird in das Kanalleseregister 32 eingelesen. Jedes einzelne Kanalregister 31 enthält zu jedem Zeitpunkt die Summe der Anzahl Zählungen, die sich in dem Energiebereich, der der jeweiligen Kanaladresse entspricht, ereigneten.

Ein Zählimpulsgeber 33, der vom Integrator 26 zur gleichen Zeit wie das Gatter 28 mittels eines Impulses aktiviert wird, erzeugt einen Zählerimpuls mit vorbestimmter Amplitude, der dazu bestimmt ist, zum Inhalt des Kanalleseregisters 32 mittels des Binäraddierers 34 addiert zu werden. Der Inhalt des Kanalleseregisters 32 wird an den Binäraddierer 34 übermittelt, und die daraus resultierende Summe wird einem Kanalspeicherregister 35 zugeführt. Das Kanalspeicherregister 35 ist ferner über eine Leitung 36 mit dem Kanaladressenregister 30 verbunden, und die daraus resultierende neue Summe wird zurück in das gleiche Kanalregister 31, von dem die Summe ausgegangen war, geschaltet.

In jedem Kanalregister 31 wird somit die jeweils gültige Summe von Zählungen, die in dem zugeordneten Energiebereich auftreten, gespeichert. Diese Informa-

tionen können nach Bedarf durch Aufzeichnung in analoger oder digitaler Form ausgegeben oder durch eine Verarbeitungsstufe 40 weiterverarbeitet werden. Die aus der Weiterverarbeitung resultierenden Daten können dann als Funktion der Tiefe der Sonde 2 im Bohrloch von einer Aufzeichnungsvorrichtung 41, die mechanisch oder elektrisch mit einer Rolle 42 verbunden ist, aufgezeichnet werden.

Das Gammaspektrum nach Fig. 2, das sich aus der Impulshöhenanalyse der von der Sonde nach Fig. 1 erzeugten Impulse ergeben hat, zeigt einen hervortretenden Spitzenenergiewert bei 2,23 MeV. Dieser Spitzenenergiewert tritt gemäß F i g. 2 in dem Kanalregister III auf und befindet sich ferner innerhalb des durch die Kanalregister II, III und IV definierten Fensters, das in F i g. 2 schraffiert angedeutet ist. Die Inhalte der Kanalregister 11, III und IV werden über Leitungen 43, 44 und 45 einer Vergleichsstufe 46 zugeführt. Die Vergleichsstufe 46 erzeugt ein Spannungssignal auf der Leitung 25, dessen Amplitude proportional zur Differenz zwischen dem Inhalt des Kanalregisters III und dem Inhalt entweder des Kanalregisters II oder des Kanalregisters IV ist, je nachdem, welche der beiden Differenzen größer ist. Das

algebraische Vorzeichen dieses Spannungssignals is kennzeichnend dafür, ob das so erzeugte Differenzs gnal von der Differenz zwischen dem Kanalregister Il und dem Kanalregister II oder der Differenz zwische dem Kanalregister III und dem Kanalregister I\ stammt.

Da das Kanalregister Hi anfänglich so ausgewähl wurde, daß es den Wasserstoff-Spitzenenergiewert vor 2,23 MeV enthält, besteht eine Tendenz diese: Spitzenenergiewerts, aus dem Kanalregister III entwe der in das Kanalregister II oder in das Kanalregister l\ zu driften, wenn irgendeine Verstärkungsdrift auftrit Die Vergleichsstufe 46 ermittelt dann eine Änderung des Verhältnisses der Zählungen, ζ. B. im Kanalregiste III und im Kanalregister II, und erzeugt ein Stellsigna mit entsprechendem Vorzeichen und entsprechende Amplitude. Dieses Stellsignal wird über die Leitung 2f zum Steuereingang des Verstärkers 24 des Impulshö henanalysators rückgekoppelt und bewirkt eine Ände rung der Verstärkung des Verstärkers 24, um die Drif zu kompensieren. Auf diese Weise wird der Wasser stoff-Spitzenenergiewert von 2,23 MeV in der Mitte de dem Kanalregister III entsprechenden Energiemeßbe reichs gehalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Geophysikalische Neutron-Gamma-Bohrlochmeßapparatur mit einer Energiemeßeinrichtung, die die Gammastrahlung der das Bohrloch umgebenden Erdformation mißt und Meßimpulse mit einer der Energie der jeweiligen Gammaquanten entsprechenden Impulshöhe erzeugt, und mit einem Impulshöhenanalysator zum Empfang der Meßimpulse und zur Zählung derselben in mehreren, unterschiedlichen Impulshöhenbereichen entsprechenden Kanälen, wobei eine Regelschleife vorgesehen ist, bestehend aus einer Vergleichsstufe, deren Eingänge an mindestens zwei ein Fenster bildende Kanäle angeschlossen sind und die auf die Verstärkung der Energiemeßeinrichtung in der Weise einwirkt, daß ein von der Meßeinrichtung gemessener Gamma-Spitzenenergiewert (Peak) innerhalb des genannten Fensters gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Fenster den auf Neutroneneinfang in Wasserstoffkernen beruhenden Spitzenenergiewert (Peak) von 2,23 MeV einschließt.

2. Neutron-Gamma-Bohrlochmeßapparat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die an sich bekannten Merkmale, daß der Impulshöhenanalysator (26—36) und die Regelschleife (43—46,25) an der Erdoberfläche angeordnet sind und daß die Kanäle (II, III, IV), an die die Eingänge (43, 44, 45) der Vergleichsstufe (46) angeschlossen sind, Kanäle des genannten Impulshöhenanalysators (26—36) sind.