DE2442215A1 - Verfahren und anordnung zum bestimmen des gehalts einer geologischen formation an kalium, uran und thorium - Google Patents

Description

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der Firma Societe de Prospection Electrique Schlumberger, 42, rue Saint-Dominique, Paris 7, Frankreich

betreffend:

"Verfahren und Anordnung zum Bestimmen des Gehalts einer geologischen Formation an Kalium, Uran und Thorium"

Die Erfindung bezieht sich auf die spektroiae tr is ehe Untersuchung der natürlichen Radioaktivität von geologischen Formationen, die von einem Bohrloch durch teuft sind. Die Er-» findung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Anordnung, mit welchen durch Spektralanalyse der Zar pulse, geliefert von einem Detektor für von einer Formation ausgehende Gammastrahlung, di® Gehalte der Formation an Kalium, an Elementen der Uranfamilie undan Elementen der Thoriumfamilie bestimmt werden können. Diese drei gesuchten Größen, die nachfolgend der Einfachheit halber als K-Gehalt, U-Gehalt bzw. Tfo-G®ha!t bezeichnet werden sollen, bilden, wie man weiß, eine sehr wertvolle Information, welche die Formationen charakterisierend nicht nur Korre?

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lationen von einem Bohrloch zum anderen durchzuführen gestattet} was von noch größerem Interesse ist, die Natur und in großem Maße die Zusammensetzung der Formationen selbst zu identifizieren gestattet. (Adams/Weaver: "Thoriumto-uranium ratios as indicators of sedimentary processes: Example of concept of geochemical facies", Bull. Am. Assoo. Petrol. Geologists, »and 42, Seiten 387 - 43o, 1958).

Aus der Veröffentlichung von Lock/Hoyer: "Natural gamma-ray spectral logging", 1971 - SPWLA Symposium Transactions) ist eine Anordnung bekannt, bei der die Zählraten der Gammastrahlung gemessen werden innerhalb drei Spektrumsausschnitten oder "Fenstern", die auf die Energien 1,46 - 1,76 und 2,62 MeV zentriert sind, entsprechend jeweils den photoelektrischen Spitzen von Kalium 4o, Wismuth 214 (Zerfallsprodukt des Urans 238) und des Thallums 2o8 (Zerfallsprodukt von Thorium 233). Diese Fenster haben Breiten entsprechend + lo% der Spitzenenergie. Die drei/gemessenen Sählraten werden als repräsentativ betrachtet für den Gehalt der Formationen an K, U bzw. Th.

Diese bekannte Anordnung besitzt den doppelten Nachteil, daß die Bestimmung.dar Kf lh und Th-Gehalte mit einer ziemlich niedrigen statistischen Genauigkeit und einen relativ großen systematischen Fehler erfolgt. Jedes Element wird nämlich identifiziert und genessen durch eine einzige Spitze (die photoelektrisch· Spitze entsprechend der gesamten Absorption der Strahlung durch den Szintillationsdetektor), währestd tatsächlich diese« Element verantwortlich ist für ein Spektru», das ganz bestin&te Charakteristiken aufweist (insbesondere den Conpton-Effekt), welche Charakteristiken in Wirklichkeit das Element identifizieren. Man erksant dezagenäß ohne weiteres, daß bei Berücksichtigung nur einer Spitze nan einen wichtigen Teil der Gesamtcharakteristik unberücksichtigt läßt. Die statistische Genauigkeit für die Bestim-

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«■ 3 "·

mung der Gehalte an K, U und Th ist aus diesem Grunde ziemlich schlecht. Darüber hinaus darf man nicht vergessen, daß die gesamten Spektren der drei Elemente einander im Impulsspektrum, das von Detektor geliefert vird, überlagert sind und daß jeder Bereich dieses Spektrums in Wirklichkeit mehr oder weniger von allen drei Elementen beeinflußt ist. Es ist demgemäß offensichtlich, daß die Berücksichtigung der Zählrate in jedem der Fenster, welche herrührt von einem einzigen der drei Elemente, zu einem großen systematischen Fehler führen wird.

Gemäß der Veröffentlichung von R.N. Keil/B. Rajewskl; "Bestimmung des Gehalts an natürlich radioaktiven Kukliden im Boden und in Baumaterialien mittels Gaisansstrahlsnapektrometrie", Atompraxis, Band 14, Nr. 9/lo, Seiten 421-426, 1968, werden wiederum drei Fenster vorgesehen, welche auf die Energien von 1,46, 1,76 und 2,2~62 MeV zentriert sind; doch wird jeder Gehalt ausgehend von den drei gemessen Sählratan berechnet.

Zwar gestattet dieser Vorschlag, den systematischen Fehler der vorbeschriebenen Anordnung su ©liönieren, doch leigt immer noch eine schlechte statistische Genauigkeit ües vor infolge der Tatsache, daß nur ein Teil der vom Detektor gelieferten Impulse für die Messung ausgewertet wird. Insbesondere wird der Bereich des Spektrums entsprechend Energien unterhalb von 1,3 MeV und entsprechend dem Bereich von 2-2,5 MeV außer «ht gelassen. Diese Beschränkung ist beabsichtigt und beruht auf den folgenden Forderungen:

Die Zonen des Spektrums sollen eliminiert werden, in denen die Spitzen nicht hinreichend voneinander getrennt sind,

der Bereich niedriger Energie des Spektrums soll ausgespart werden, indem das Verhältnis der Spitzen-

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oberfläche zu jener des Hintergrundrauschens relativ gering ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es_f ein Verfahren und eine Anordnung zu dessen Durchführung zu schaffen, mit der die Gehalte einer Formation an K, U und Th mit einer besseren statischen Genauigkeit bestimmt werden können als dies mit den bekannten Mitteln möglich war.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Demgemäß verzichtet man im Gegensatz zu den Anregungen aus dem Stande der Technik keineswegs auf die Berücksichtigung der Impulse im Bereich niedriger Energie des Spektrums und auch nicht auf- jene entsprechend breiteren Zonen, sondern man verwendet quasi die Gesamtheit der am Ausgang des Detektors anfallenden Informationen. Die Wahl dieser Lösung, die bisher ausdrücklich verworfen wurde, hat es ermöglicht, den Gehalt an K, U und Th mit einer statistischen Genauigkeit zu bestimmen, die erheblich größer ist als bisher für möglich gehalten wurde. Die Verbesserung der Genauigkeit ist von großer Bedeutung, weil sie es insbesondere ermöglicht, unmittelbar Ton von Glimmer zu unterscheiden, ohne daß es, wie bisher erforderlich war, Interpretationstechniken angewendet warden müßten, bei denen mehrere Meßverfahren eingesetzt werden mußten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen. Diese basieren auf der nachfolgenden Erläuterung bevorzugter Merkmale des Verfahrens und einer bevorzugten Ausführungsform einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Anordnung. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen:

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für Gammaradioaktivität an einer geologischen Formation,

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Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung gemäß der Erfindung mit fünf Energiefenstern, und

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 2.

Zunächst soll auf Fig. 1 eingegangen werden, in der ein Gammastrahlenspektrum der natürlichen Radioaktivität einer Formation dargestellt ist. Die auffallendsten Zonen dieses Spektrums, wenn diese auch nicht alle Totalabsiptionsspitzen umfassen, entsprechen:

Herrührend von Kalium einer Energie von 1,46 MeV,

herrührend von Elementen der Uranfamilie den Energien 1, 76, o,61 und o,35 MeV,

herrührend von Elementen der Familie des Thoriums Energien von 2, 62, 2,2, o9 und o,25 MeV.

Es ist hier unmittelbar darauf hinzuweisen, daß die Form eines solchen Spektrums, insbesondere die Höhe seiner Spitzen, stark abhängt von der Natur und der Größe des verwendeten Szintillators. Natürlich ist die Position der Spitzen dieselbe unabhängig von der Art des Szintillators. Darüber hinaus ist die metallische Umhüllung, die ineiner Sone den Szintillator schützt, eine Abschirmung, welche die Erfassung von Teilchen hindert mit Energien unterhalb von etwa o,15 MeV.

Was nun die Art und Weise angeht, in der das Spektrum tatsächlich zerlegt wird, muß zunächst darauf hingewiesen werden, daß die^feweils abhängt von dem verwendeten Detektor.

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Für die nachstehend noch erläuterte Anordnung, bei der mit einem Natrium-Jodid-Szintillator gearbeitet wird, der mit Thalium aktiviert ist, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, das Spektrum in fünf Spektrumsbereiche oder Fenster aufzuspalten, die unmittelbar aneinandergrenzen und, wie Fig. 1 zeigt, den fünf folgenden Energiebändern entsprechen;

o, 15 - o,5 MeV
o, 5 - 1,1 MeV
1,1 - 1, 6 MeV
1,6 - 2 MeV
2 - 3 Mev.

Diese Zaiegung hat sich mit dem verwendeten Szintillator als diejenige erwiesen, bei der die Gehalte an K, u und Th einer Formation am besten erfaßt werden können, wobei zugleich die größtmögliche Unempfindlichkeit der Messungen gegenüber Verstärkungsänderungen erreicht wurde. Die Zerlegung könnte jedoch modifiziert werden, wenn man einen Szintillator eines anderen Typs oder einer anderen Form verwendet oder einen Festkörperdetektor aus Kadmium, Tellurid oder lige, beispielsweise.

Es ist daran zu erinnern, daß im Hinblick auf die Unempfindlichkeit der Messungen gegenüber Verstärkungsänderungen eines der schwierigen PRobleme in der Nuklearspektrometrie die Stabilisation der Verstärkung des gesamten Empfängersystems ist. Damit dieses Problem hier weniger akut wird, werden die Schnittstellen des Spektrums in der Mitte von Zonen gewählt, welche eine sehr niedrige Steilheit aufweisen, damit der Fhehler, der bei der Berechnung der Gehalte durch Verstärkungsauswanderungen eingeführt wird, so klein wie möglich wird. (Diese Auswanderung der Verstärkung macht sich durch eine Versetzung des Spektrums bemerkbar.)

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Die Gehalte an K, U und Th können ausgehend von η gemessenen Zählraten durch Berechnung der folgenden drei Gleichungen bestimmt werden:

1*0 = ifn

Ύ a,. N.

igi

wobei a ., a und a_. die Wichtungskoeffizienten sind, welche die jeweiligen Beiträge der drei Elemente zur Zählratjzje N. in einem Fenster i gemessen wiedergeben.

Alternativ kann diese Bestimmung durchgeführt werden, indem man die drei Werte von K, U und Th sucht, welche für alle Zählraten am besten gleichzeitig die η Beziehungen erfüllgen:

^Ni ^{= b}ill^K^^{+ b}i2 ^^{+ b}13

worin bil, t>_i2' ^^3 <^^ie Wichtungskoeffizienten sind, welche die Beiträge der jeweiligen Gehalte der drei Elemente zur Zählrate Hi gemessen in dem Fenster i wiedergeben.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Anordung clürch Durchführung des oben erläuterten Verfahrens vorgeschlagen, welche die folgenden Elemente umfaßt:

Einen spektrometrischen Detektor für Gammastrahlung, die von der Formation ausgeht, - ,

5 0 9 8 U / 0 2 8 6

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Schaltkreise für die Messung der Zählrate der Impulse, die von dem Detektor erzeugtwerden, mit Amplituden innerhalb von η Fenstern, welche Schaltkreise einen Abtrennlogikschaltkreis umfassen, der angeschlossen ist für den Empfang der vom Detektor gelieferten Impulse zum Erzeugen von Impulsen an η Ausgängen, deren jeweiligenZählraten die der Impulse des Detektors sind mit Amplituden, die sich innerhalb der η Fenster befinden, η Impulszähler, die jeweils an die η Ausgänge des Abtrennlogikschaltkreises angeschlossen sind, einen numerisch-analogen Wandler, an dessen Eingang die Ausgänge der Zähler angeschlossen sind, einen Demultiplexer mit η Pfaden, deren Eingang an den Ausgang des numerisch-analogen Wandlers angeschlossen ist, und η Integratoren, die jeweils an die η Pfade des Demultiplexers angeschlossen , ferner

Mittel für die Analogberechnung, an die die Ausgänge der Integratoren angeschlossen sind, für die Bestimmung jeweils der betreffenden Gehalte, ausgehend von den η gemessenen Zählraten, sowie einen

Kadenzlogikschaltkreis, der so ausgebildet ist, daß er zyklisch an jeden Zählerimpulse liefert, welche die übertragung des Zählerinhalts zu dem Wandler ermöglichen und diesen dann auf Null zurücksetzen, sowie Impulse an den Demultiplexer liefert, mit denen die jeweils zugeordneten Pfade abgetastet werden für die von dem Wandler gelieferten Spannungen.

In Fig. 2 ist eine solche Anordnung schematisch angedeutet. Man erkennt einen Photovervielfacher Io mit zugeordnetem Szintillator 11. Diese sind im Inneren einer (nicht

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dargestellten) Sonde untergebracht, die für die Untersuchung von Erdformationen bestimmt ist, welche von einem Bohrloch durchteuft sind. Der Szintillator und der Photovervielfacher dienen der Erfassung von Gammastrahlung, die von den Formationen ausgeht. Die an der Anode des Photovervielfachers aufgefangenen Impulse werden zunäcnt einem Verstärker 12 zugeführt, dessen Ausgang gleichzeitig am Eingang eines Abtrennlogikschaltkreises 13 sechs Spannungskomparatoren 14A bis 14F zugeführt wird, deren jeweilige Bezugsamplituden A₁ bis A_ die Grenzen der fünf Fenster,

i D

die mit I, II, III IV und V bezeichnet sind, definieren, in deren Inneren die Zählraten der Impulse gemessen werden müssen. Die Werte A., A~ , A_?,-A,, Α-,-Α,, A₄-A₁- und A₅-A, bilden jeweils die Begrenzungen der Fenster I, II, III, IV bzw. V. Die Amplituden A₁ bis k, entsprechen Energien E₁ bis

1 ο 1

E,, nämlich für einen Thallium-dotierten Natrium-Jodid-

SintilLator, wie er hier verwendet wird:

El	= 0,	15	MeV
E2	= 0	,5	MeV
E3	= 1	,1	MeV
E4	= 1	,6	MeV
E5	= 2		MeV
E6	= 3		Me v.

Der Abtrennlogikschaltkreis 13 umfaßt ferner fünf NICHT-Gatter 15B bis 15F und fünf UND-Gatter mit zwei Eingängen 16A bis 16E. Diese verschiedenen Elemente sind in folgender Weise zusammengeschaltet; Der Ausgang des Komparators 14A ist direkt mit einem Eingang des UND-Gatters 16A ve^unden, und der Ausgang des !Comparators 14B mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 16A über das NICHT-Gatter 15B;der Ausgang des Komparators 14B ist direkt mit einem Eingang des UND-Gatters 16B verbunden, und de<r Ausgang des

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- Io -

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Komparators 14C mit dessen anderem Eingang über das NICHT-Gatter 15C. Der Ausgang des Komparators 14 C ist direkt verbunden mit einem Eingang des UND-Gatters16C, und der Ausgang des Komparators 14D ist mit dessen anderem Eingang über das NICHT-Gatter 15D verbunden. Der Ausgang des Komparators 14D ist direkt verbunden mit einem Eingang des UND-Gatters 16D, während der Ausgang des Komparators 14E mit dessen anderem Eingang über das NICHT-Gatter 15E verbunden ist, und schließlich ist der Ausgang des Komparators 14E direkt verbunden mit einem Eingang des UND-Gatters 16E, und der des Komparators 14F ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 16E über das NICHT-Gatter 15F verbunden.

Dank dieser Anordnung ergibt sich unmittelbar, daß ein Impuls mit einer Amplitude zwischen A und A„ (Fenster 1) nur den Komparator 14A auslohst; auf Grund dieser Tatsache und dank des NICHT-Gatters 15B, das den Ausgang des Komparators 14B vom Logikpegel Null auf den Logikpegel 1 transformiert, werden nur die beiden Eingänge des UND-Gatters 16A gleichzeitig aktiviert, das demgemäß einen Impuls liefert; ein Impuls mit einer Amplitude zwischen A₂ und A- (Fensters) löst die Komparatoren 14A und 14B aus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15B, das den Logikpegel 1 am Ausgang des Komparators 14B in einen Lögikpegel Null transformiert und dank des NICHT-Gatters 15C, das den Logikpegel Null am Ausgang des Komparators 14C in einen Logikpegel 1 transformiert, werden nur gleichzeitig die beiden Eingänge des UND-Gatters 16B aktiviert, das demgemäß einen Impuls liefert; ein Impuls der Amplitude zwischen A_ und A (Fenster III) löst die Komparatoren 14A, 14B und 14C aus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15C, das den Logikpegel 1 am Ausgang des Komparators 14C in den Logikpegel Null transformiert und dank des NICHT-Gatters 15D, das den Logikpegel Null am Ausgang des Komparators 14D in einen Logikpegel 1 transformiert, werden nur gleichzeitig die beiden Eingänge des UND-Gatters 16C aktiviert,

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- 11 -

das dann einen Impuls abgibt; ein Impuls mit einer Amplitude zwischen A, und A_r (Fenster IV) löst die Komparatoren 14A,

4 5 '

14B, 14C und 14D aus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15D, welches den Logikpegel 1 am Ausgang des !Comparators 14D in den Logikpegel Null transformiert und dank des NICHT-Gatters 15E, das den Logikpegel 0 in einen Logikpegel 1 am Ausgang des Komparators 14E transformiert, werden nur gleichzeitig die beiden Eingänge des UND-Gatters 16D aktiviert, das demgemäß einen Impuls abgibt; ein Impuls der Amplitude zwischen A und A, (Fenster V) löst die Komparatoren 14A, I4ß, 14C, 14D und 14E aus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15E, welches den Logikpegel ί am Ausgang des Komparators 14E in den Logikpegel Null transformiert und dank des NICHT-Gatters 15F, das den Logikpegel Null am Ausgang des Komparators 14F in den Logikpegel 1 transformiert:, werden nur gleichzeitig die beiden Eingänge des UND-Gatters 16E aktiviert, das demgemäß einen Impuls abgibt.

Man erkennt im übrigen ohne weiteres, daß Impulse mit einer Amplitude unter A (welche keinen der Komparatoren auslösen) und Impulse mit einerAmplitude oberhalb A_g (welche alle Komparatoren auslösen) nicht zur Erzeugung irgendeines Impulses am Ausgang irgendeines der UND-Gatter 16A bis 16E führen.

Auf diese Weise sind die Zählraten N.», N , N₃₄, N₄₅ und N , der erzeugten Impulse am Ausgang des Schaltkreises 13 über die UND-Gatter 16A bis 16E jene Impulse vom Ausgang des Verstärkers 12, welche Amplituden aufweisen, die jeweils in die Fenster I bis V fallen.

Die am Ausgang der fünf UND-Gatter, abgegriffenen Impulse werden an die Sendestufe 17 der Sonde gegeben, die, indem die Signale über die elektrischen Leiter-des Kabels 18 geleitet werden, sie an die Oberfläche zu einer Empfangsstufe 19 überträgt. Diese Übertragung der Messungen an die

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Erdoberfläche wird gemäß einem Verfahren der Fernmessung realisiert; die beiden Stufen 17 und 19 brauchen deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Auf der Erdoberfläche sind fünf Zähler 2oA bis 2oE an die Ausgänge der Stufen 19 angeschlossen, um die Impulse aufzunehmen, die jweils gelieferter den von den UND-Gattern 16A und 16E. Die parallelen Ausgänge dieser Zähler beaufschlagen einen numerisch-analogen Wandler 21, gefolgt von einem Demultiplexer 22 mit fünf Ausgängen 1 bisV.

Eine Kadenz- oder Taktgeberlogikschaltung 2 3 hat die Aufgabe, gemäß dem Zyklus nach Fig. 3:

den Zählern 2oA bis 2oE übertragungsimpulse T. bzw. T₅ zuzuführen, sowie Null Rückstellimpulse R. bzw. R₅, und

dem Demultiplexer 2 3 Abtastimpulse D₁ bis Dj- zuzuführen.

Wie Fig. 3 zeigt, läuft ein Zyilus in folgender Weise ab:

Im Augenblick t, bewirkt der Impuls T₁ die übertragung des Zählerstandes des Zählers 2oA zum Wandler 21, der nahezu gleichzeitig dem Demultiplexer 22 eine Spannung v. zuführt, welche repräsentativ für diesen Zählstand ist,

im Augenblick t + At setzt der Impuls R den Zähler 2oA auf Null zurück, und der Impuls D läßt die Spannung ν an den Ausgang 1 des Demultiplexers übertragen,

im Augenblick t₂ bewirkt der Impuls T~ die übertragung des Zählstandes des WandieraZählers 2oB zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine Spannung v₂ zuführt, welche repräsentativ für diesen Zählstand ist,

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— 1 ^ —

im Augenblick t₂ + At setzt der Impuls R- den Zähler 2oB auf Null und überträgt der Impuls T_ die Spannung v₂ auf den Ausgang II des Demultiplexers,

im Augenblick t^ bewirkt der Impuls T- die Übertragung des Zählstandes des Zählers 2oC zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine Spannung V₃, repräsentativ für diesen

Zählstand, übertragt, '

im Augenblick t_ + A. t setzt der Impuls R₃ den Zähler 2oC auf Null zurück, und der Impuls D schaltet die Spannung v, zum Ausgang III des Demultiplexers durch,

im Augenblick t. bewirt der Impuls.T" die Übertragung des Zählstandes vom Zähler 2o E zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine Spannung V₄ zuführt, die repiäentativ für diesen Zählstand ist,

im Augenblick t. + /it setzt der Impuls R₄ den Zähler 2oD auf Null zurück und bewirkt der Impuls D₄ die Übertragung der Spannung V₄ zum Ausgang IV des Demultiplexers,

im Augenblick t₅ bewirkt der Impuls T₅ die Übertragung des Zählstandes des Zähler 2oE zum Wandler 21, der dem Demultplexer 2 2 eine diesen Zählstand repräsentierende Spannung ν zuführt,

im Augenblick t₅ + Δ. t setzt der Impuls R₅ den Zähler 2oE auf Null zurück, und der Impuls D. schaltet die Spannung V₅ zum Ausgang V des Demultiplexers durch.

Im Augenblick t,- beginnt ein neuer Zyklus, in dessen Verlauf die fünf Ausgänge des Demultiplexers 22 nacheinander Spannungen ν bis ν ^ liefern, die repräsentativ sind für

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BAD ORIGINAL

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die angesammelten Zählungen in den verschiedenen Zählern von dem Augenblick an, in dem sie jeweils auf Null zurückgesetzt worden sind. Dieser Prozeß wiederholt sich dauernd, solange das Bohrloch untersucht wird, derart, daß die fünf Spannungen ν bis V₅, je nach dem Fortschreiten der Sonde, die Quantität der Impulse, die von dem Detektor in jedem der ausgewählten Fenster geliefert werden, wiederspiegeln.

Vorteilhafterweise beträgt die Dauer eines Zyklus eine Sekunde; zwei aufeinanderfolgende Übertragungsimpulse sind demgemäß durch ein Interval von o,2 Sekunden getrennt.

Fünf Integratoren 24A bis 24E sind an die Ausgänge I bis V des Demultiplexers 22 angeschlossen. Sie bewirken eine Integration der Spannungen νχ bis V₅, vorteilhafterweise über vier Sekunden, um Spannungen v. bis v_ zu erzeugen, die als die Zählraten N₁ _, N_,, N_., N.,. und N__c repräsentierend angesehen werden können, Zählraten der Impulse, die von dem Verstärker 12 geliefert werden und Amplituden aufweisen, die jeweils in die Fenster 1 bis V fallen.

Die Spannungen ν bis V₁- werden demgemäß in einen Analogrechner 25 eingespeist, der die Aufgabe hat, permanent die Gehalte an K, U und Th der Formation zu berechnen, deren erfaßte Gammaradioaktivität zu der Ableitung der fünf Werte geführt hatte, indem eine Berechnung entsprechend den folgenden drei Gleichungen durchgeführt wird:

^K - ^all^Vl ^{+ a}l2^V2 ^{+ a}13^V3 ^{+ a}l4^V4 + «₁₅V ü - a₂₁V_A + a₂₂V₂ + a₂₃v_{3 +}a₂4^v ₄ ^{+ a}25^V5 Th = ^₁V₁ + a₃₂V₂ + a₃₃V₃ + a₃₄V₄ ^₃₅V₅

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Die Matrize der Koeffizienten a, die hauptsädiLich abhängt von den Charakteristiken des Strahlungsdetektors, wird bestimmt bei einer Eichung der Anordnung, ausgehend von der Messung der Werte V bis V₅ in Bezugsformationen, welche bekannte Gehalte an K, U und Th aufweisen.

Genauer, kann man die Matrize der Koeffizienten b, die invertiert sind gegenüber den Koeffizienten,, a, in den fünf folgenden Gleichungen bestimmen, welche die Zählraten in den fünf Fenstern in Funktion von den Werten K, ü und Th ausdrücken:

^Vl ^{= b}ll Ά ^{+ b}i2 W ^{+ b}13

^V4 ^{= b}41^ ^{K] + b}42 W ^{+ b}43

V₅ = b₅₁ [κ] + b₅₂ 00 + b₅₃

Der Detektor wird in ein radioaktives Milieu gebracht, mit dem eine Formation simuliert wird, die nur K enthält mit einem bekannten Gehalt K ,und die Koeffizienten b.. bis b₅₁ sind jeweils gegeben durch das Verhältnis V./K bis V /YL Die gleichen Messungen werden in zwei anderen Umgebungen durchgeführt, mit welchen Formationen simuliert werden, welche nur U bzw. Th enthalten, mit bekannten Gehalten an U bzw. Th ; die Koeffizienten b.₂ bis b₅₂ werden demnach gegeben durch die jeweiligen Verhältnisse V /U bis V₅/ü , während die Koeffizienten b_{13 bis fa} gegeben sind durch die Verhältnisse V₁Ah₀ bis V₅Ah .

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— Ib —

Die Matrize der Koeffizienten a wird dann abgeleitet durch einfache Inversion der Matrix der Koeffizienten b, die so erhalten worden war.

Der Rechner 25 erzeugt drei Spannungen, die repräsentativ sind für die drei berechneten Gehalte, die schließlich einer Aufzeichnungsanordnung 26 zugeführt werden. Je nach dem Durchlauf der Sonde zeichnet diese Anordnung drei Kurven auf, die repräsentativ sind für die Änderungen der Gehalte in den gemessenen Formationen bezüglich Th, U und K in Abhängigkeit von der Untersuchungstiefe.

Vorteilhafterweise liefert der Analogrechner 25 eine vierte Spannung, die die Summe V. + V„ + V₃ + V. +· V₅ entsprechend der gesamten Gammaradioaktivität der Formationen liefert. Dieser Wert wird ebenfalls durch die Anordnung 2 6 aufge ζ ei chnet.

Natürlich hängt die Qualität der Ergebnisse, die geliefert werden vonder gerade beschriebenen Anordnung, weitgehnd ab von der Stabilität der Verstärkung des Photovervielfachers Io. Um diese Stabilisierung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, Techniken anzuwenden, die in der französischen Patentanmeldung FR-OS 72.45585 beschrieben wurden. Da im vorliegenden Falle sich das erfaßte Gammastrahlen-•pektrum bis zu 3 MeV erstreckt, und es keine Alphas träiLenquelle gibt mit einer Energie oberhalb dieses Wertes, verwendet man bei der Anordnung gemäß der Erfindung eine Quelle, deren Strahlungsenergie unter 15 KeV liegt, dem Wert nämlich, unterhalb dessen die Strahlung der Formation nicht auf den Detektor auftreffen kann. Die verwendete Quelle ist vorzugsweise eine Amerizium-241-Quelle, deren Gammaemissionsspitze bei 60 KeV liegt; das für die Messung ausgewertete Spektrum wird damit nicht beeinträchtigt.

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Die Impulse am Ausgang des Verstärkers 12 werden einem zweiten Verstärker 2 7 mit einer Verstärkung in der Größenordnung von Io zugeführt, gefolgt von einem Begrenzerschaltkreis 28, der so eingestellt ist, daß nur Impulse entsprechend Strahlungsenergien unterhalb I5o KeV durchgelassen werden. Der Ausgang dieses Schaltkreises beeinflußt dann eine Baugruppe 29, deren Aufgabe darin besteht, die Versetzungen der Spitze von 6o KeV entsprechend Verstärkungsänderungen zu erfassen, um so ein Fehlersignal zu erzeugen, dessen Amplitude und Vorzeichen repräsentativ sind jeweils für die Größe und Richtung dieser Versetzungen, wonach dieses Signal verwendet wird, um den Hochspannungspegel nachzuregeln, mit dem der Photovervielfacher Io durch die Versorgungsspannungsquelle 3o beaufschlagt wird.

Alternativ kann die Berechnung der Gehalte an K, U und Th,ausgehend von den Zählraten N^, die in den verschiedenen Fenstern gemessen worden sind, so erfolgen, daß durch die sogenannte Stripping-Technik die drei Werte K, U und Th bestimmt werden, welche für die erhaltenen η Zählraten gleichzeitig am besten die Endbeziehungen erfüllen:

N₁ = b_±1 [κ\ + b_i2 Qj} + b_i3 O^

Anders ausgedrückt, sucht man die Werte V₁ bis V₁. ausgehend von Elementarwerten entsprechend den bekannten Gehalten an K, U und Th. Der Rest bei dieser Rekonstitution kann dann als ein Schätzwert betrachtet werden für die Qualität der Messung, was einen erheblichen Vorteil des Verfahrens bildet.

Natürlich kann die Behandlung der an die Erdoberfläche zur Empfangsstufe 19 von der Sonde übertragenen Informationen

- 18 -

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auch mit Hilfe eines numerischen Rechners erfolgen, der direkt auf die fünf Zählraten N₁₀, N__, N_., N._c und N_C/„

12 23 34 4b 56

die Rechnung entsprechend beispielsweise den folgenden drei Gleichungen anwendet:

K =

Th =

(Patentansprüche)

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   l.J Verfahren zum Bestimmen des Gehalts einer geologischen Formation an Kalium (K) , Elementen der Ujiranfamilie (U) und Elementen der Thoriumfamilie (Th) durch Spektralanalyse der Impulse am Ausgang eines mit Gammastrahlung von der Formation beaufschlagten Detektors, bei dem die Zählraten der Impulse gemessen werden mit Amplituden innerhalb von drei Spektrumsausschnitten, welche die Spitzen entsprechend den Energien 1,46, 1,76 bzw. 2,62 MeV enthalten, wonach jeder Gehalt ausgehend von den drei gemessenen Zählraten berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Spektrumsausschnitte unmittelbar aneinander anschließend festgelegt werden, daß zusätzlich die Zählrate von Impulsen gemessen wird, deren Amplituden innerhalb mindestens eines weiteren Spektrumsausschnitte liegen, welcher den Bereich niedriger Energien umfaßt, und daß jeder Gehalt ausgehend von allen gemessenen Zählraten bestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Grenzen der Spektrumsauschnitte in Zonen des Spektrums mit geringer Steilheit gewählt werden.
3. 3. Verfahremnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt fünf Spektrumsauschnitte ausgewertet werden.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 2und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fünf Spektrumsausschnitte die folgenden Energiebänder überdecken:

   o, 15 - o,5 MeV

   o, 5 - 1,1 MeV

   1,1 -1,6 MeV

   1,6 - 2 MeV

   2 - 3 Mev.

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   - 2o -

   - 2ο -
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte K, U «nd Th ausgehend von η gemessenen Zählraten bestimmt werden durch Ausrechnen der folgenden drei Gleichungen:

   i=n
   κ = y A₁₁N₁

   K = i=n ^a2i^Ni L
   X = I Th = i=n / ^a3i ^N

   wobei a, . , a„ . und a.,. Wichtungskoeffizienten sind, welche die jeweiligen Beiträge der drei Elemente zu der Zählrate N wiedergeben, die in dem Spektrumsausschnitt i gemessen worden ist.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte K, U und Th bestimmt werden ausgehend von η gemessenen Zählraten durch Auffinden der drei Werte K, U und Th, welche für alle Zählraten am besten gleichzeitig die η Beziehungen erfüllen:

   ^Ni ^{= b}il W ^{+ b}i2 C^ÜI ^{+ b}

   i3 L^T

   worin b.,, bi2 und b-₃ Wichtungskoeffizienten sind, welche die Beiträge der jeweiligen Gehalte der drei Element ezu der Zählrate N. gemessen in dem Spektrumsausschnitt i wiedergeben,
7. 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

   - 21 -

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   einen Spektrometer-Detektor für von der Formation ausgehende Gammastrahlung,

   durch einen Analysierschaltkreis für die Messung der Zählraten der Impulse, die von dem Detektor erzeugt werden mit Amplituden innerhalb der η Spektrumsausschnitte, welcher Analysierschaltkreis einen Abtrennlogikschaltkreis umfaßt, angeschlossen für den Empfang der Impulse, geliefert von dem Detektor und für die Erzeugung von Impulsen auf den η Ausgängen, deren jeweilige Zählraten diejenigen der Impulse des Detektors sind mit Amplituden innerhalb der η Spektrumsausschnitte, wobei der Analysierschaltkreis ferner η Impulszähler umfaßt, die jeweils angeschlossen sind an die η Ausgänge des Abtrennlogikschaltkreises, einen numerisch-analogen Wandler, an dessen Eingang die Ausänge der Zähler angeschlossen sind, einen Demultiplexer mit η Pfaden, dessen Eingang an den Ausgang des numerisch-analogen Wandlers angeschlossen ist und η Integratoren, die jeweils angeschlossen sind an die η Pfade des Demultiplexers,

   durch einen Analogrechner, dem die Ausgangsgrößen der Integratoren zugeführt werden für die Bestimmung jeweils eines Sehalts, ausgehend von η gemessenen Zählraten, und einen Taktgeber oder Kadenzlogikschaltkrexs, der ausgebildet ist für die zyklische Abgabe von Impulsen an jeden Zähler zur Steuerung der Übertragung seines Zählstandes zu dem Wandler und nachfolgendes Rücksetzen des Zählers auf Null und für die Abgabe von Durchschaltimpulsen an den Demultiplexer für jeweils die entsprechenden Pfade zur Übertragung der Spannungen, welche von dem Wandler geliefert werden.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7 mit einer Baugruppe für die Stabilisierung der Detektorverstärkung mit einer Strahlungsquelle, die auf den Detektor einwirkt zur Erzeugung einer Bezugsfigur in dem Spektrum der Ausgangsimpulse, mit einem

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   ersten Schaltkreis für die Erfassung der Versetzung dieser Figur entsprechend Veränderungen der Verstärkung und für die Erzeugung eines Fehlersignals, dessen Amplitude und Vorzeichen repräsentativ sind für die Größe bzw. die Richtung der Versetzung und mit einem zweiten Schaltkreis, der auf das Fehlersignal ansprechend ausgebildet ist, für das Einwirken auf die Verstärkung derart, daß diese Versetzungen korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Emissionsenergie besitzt unterhalb des Grenzwertes,unter welchem die Strahlung der Formation nicht auf den Detektor auftrifft.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle Amerizium-241 dient, dessen Gammaemissionsenergie bei 6o KeV liegt.

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