DE2442215C3

DE2442215C3 - Geophysikalische Bohrlochuntersuchungsanordnung

Info

Publication number: DE2442215C3
Application number: DE2442215A
Authority: DE
Inventors: Philippe Verrieres Le Buisson Chevalier; Bronislav Meudon Seeman
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1973-10-01
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2442215A1; DK517274A; JPS5062692A; BR7408116D0; DE2442215B2; NO142551B; OA04787A; GB1487215A; NO743391L; JPS6156471B2; IE39859L; NL181687C; AU7383374A; FR2245962B1; IE39859B1; NO142551C; DK154585B; AR222285A1; DK154585C; MX3047E

Description

Die Erfindung betrifft eine geophysikalische Bohrlochuntersuchungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Gehalte von Erdformationen an Kalium, an Elementen der Uranfamilie und an Elementen der Thoriumfamilie liefern wertvolle Informationen, welche die Formationen charakterisierend nicht zur Korrelation von einem Bohrloch zum anderen durchzuführen gestatten, sondern, was von noch größerem Interesse ist, die Natur und in großem Maße die Zusammensetzung der Formationen selbst zu identifizieren gestatten. (Adams/Weaver: »Thorium-to-uranium ratios as indications of sedimentary processes: Example of concept of geochemical facies«, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geologists, Band 42, Seiten 387-430,1958).

Aus Lock/Hoyer »Natural gamma-ray spectral logging, 1971 — SPWLA Symposium Transactions) ist cine Anordnung bekannt, bei der die Zählratcn der Gammastrahlung innerhalb von drei Spektrumsausschnitten oder Amplitudenfenstern gemessen werden, die auf die Energien 1,46—1,76 und 2,62 MeV entsprechend jeweils den photoelektrischcn Spitzen von Kalium 40, Wismuth 214 (Zerfallsprodukt des Urans 238) und des Thaliums 208 (Zerfallsprodukt von Thorium 233) zentriert sind. Diese Amplitudenfenster haben lireiten entsprechend ± 10% der Spilzenenergie. Die drei gemessenen /.ählruten werden als repräsentativ für den Gehalt der Formalionen an K, IJ bzw. Th betrachtet.

Diese bekannte Anordnung besitzt den doppelten Nachteil, daß die Bestimmung der JC-, U- und Th-Gehalte mit einer ziemlich niedrigen statistischen Genauigkeit und einem relativ großen systematischen Fehler erfolgt Jedes Element wird nämüch durch eine einzige Spitze (die photoelektrische Spitze entspre chend der gesamten Absorption dor Strahlung durch den Szintillationsdetektor) identifiziert und gemessen, während tatsächlich dieses Element verantwortlich ist für ein Spektrum, das ganz bestimmte Charakteristiken aufweist (insbesondere den Compton-Effekt), welche Charakteristiken in Wirklichkeil das Element identifizieren. Man erkennt demgemäß ohne weiteres, daß man bei Berücksichtigung nur einer Spitze einen wichtigen Teil der Gesamtcharakteristik unberücksichtigt läßt. Die statistische Genauigkeit für die Bestimmung der Gehalte an K, U und Th ist aus diesem Grunde ziemlich schlecht Darüber hinaus darf man nicht vergessen, daß rtie gesamten Spektren der drei Elemente einander im Impulsspektrum, das von Detektoren geliefert wird, überlagert sind und daß jeder Bereich dieses Spektrums in Wirklichkeit mehr oder weniger von allen drei Elementen beeinflußt ist. Fs ist demgemäß offensichtlich, daß die Berücksichtigung der Zählrate in jedem der Amplitudenfenster, welche herrührt von einem einzigen der drei Elemente, zu einem großen systematischen Fehler führen wird.

Gemäß der Veröffentlichung von R. N. K ail/ B. R a j e w s k i: »Bestimmung des Gehaltes an natürlich radioaktiven Nukliden im Boden und in Baumaterialien mittels Gammastrahlenspektrometrie«, Atompraxis, Band 14, Nr. 9/10, Seiten 421-426, 1968, werden wiederum drei Amplitudenfenster vorgesehen, welche auf die Energien von 1,46, 1,76 und 2,62 MeV zentriert sind; doch wird jeder Gehalt ausgehend von den drei gemessenen Zählraten berechnet.

Zwar ist es hierbei möglich, den systematischen Fehler der Anordnung nach Lock/Hoyer zu eliminieren, doch liegt immer noch eine schlechte statistische Genauigkeit 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 acht 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 Spitzenoberfläche zu jener des Hintergrundrauschens relativ gering ist.

Aus der US-PS 29 56 165 ist ferner eine geophysikalische Bohrlochuntersuchungsanordnung mit einer Bohrlochsonde bekannt, bei der die umgebenden Erdformationen mit einer oder zwei radioaktiven Wellen mit Strahlung vorbestimmter Energie bestrahlt und die in den Erdformationen hervorgerufene Gammastrahlung durch einen Detektor aufgefangen wird, der analoge Impulse erzeugt, deren Amplitude proportional zu der Energie der Gammastrahlung ist, wobei zwei oder drei Diskriminaloren vorhanden sind, die Impulse mit einer bestimmten Ampliludenmindesthohc zu einem oder zwei Antikoinzidcn/kreisen durchlassen. Hs wird ein Signal entsprechend einer Strahlung in einem gewählten Energiebereich proportional zur Zahlrate erzeugt und entsprechend der Tiefe des Bohrlochs aufgezeich net Hkrbei handelt es sich jedoch um eine Anordnung zur Untersuchung von Erdformationen durch Bestrahlung mit radioaktiven Strahlen und nicht zum Untersuchen der natürlichen Radioaktivität von Erdformatio nen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine

Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit der die Gehalte einer Formation an K, U

in und Th mit einer besseren statistischen Genauigkeit bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeidi nenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Demgemäß verzichtet man nicht auf die Berücksichti-

n gung 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

2i) 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, wie bisher erforderlich war, Interpretationstechniken angewendet werden müßten, bei denen mehrere Meßverfahren eingesetzt werden mußten. Zugleich können die Messungen mit hohen

in Sondengeschwindigkeiten durchgeführt werden, bei denen ein Meßzyklus nur wenige Sekunden beträgt.

Die Erfindung weiter ausgestaltende Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den r. Abbildungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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

F i g. 2 zeigt schematisch eine Anordnung gemäß der 4(i Erfindung mit fünf Amplitudenfenstern und

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

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Gammastrahlenspektrum der natürlichen Radioaktivität einer Formation v, stammen die auffallendsten Zonen dieses Spektrums, wenn diese auch nicht alle Totalabsorptionsspitzen umfassen:

von Kalium einer Energie von 1,46 MeV,
von Elementen der Uranfamilie mit Energien von -.ο l,76;0,61 und0,35 MeV,

von Elementen der Thoriumfamilie mit Energien von 2,62; 2,2; 0,9 und 0,25 MeV.

Die Form eines solchen Spektrums, insbesondere die

Höhe seiner Spitzen hängt von der Natur und der

v> Größe des verwendeten Szintillator stark ab. Natürlich ist die Position der Spitzen dieselbe, unabhängig von der Art des Szintillator. Darüber hinaus ist die metallische Umhüllung, die in einer Sonde den Szintillator schützt, eine Abschirmung, welche die Erfassung von Teilchen

in mit Energien unterhalb von etwa 0,15 MeV hindert.

Bezüglich der Art und Weise, in der das Spektrum talsächlich zerlegt wird, muß zunächst darauf hingewiesen werden, daß diese jeweils von dem verwendeten Detektor abhängt.

Γι ;^:ür die nachstehend noch erläuterte Anordnung, bei der mit einem Natriumjodid-Szintillator gearbeitet wird, der mit Thallium aktiviert ist, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, das Spektrum in fünf

Spektrumsbereiche oder Amplitudenfenster aufzuspalten, die unmittelbar aneinandergrenzen und, wie F i g. 1 zeigt, den fünf folgenden Energiebändern entsprechen:

0,15	- 0,5MeV
0,5	- 1,1 MeV
1,1	- 1,6MeV
1,6	- 2MeV
2	- 3MeV

Diese Zerlegung 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 oder einen Festkörperdetektor aus Kadmiumtellurid oder LiGe verwendet.

Im Hinblick auf die Unempfindlichkeit der Messungen gegenüber Verstärkungsänlerungen ist eines der schwierigen Probleme in der Nuklearspektrometrie die Stabilität der Verstärkung des gesamten Empfängersystems. 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 Fehler, der bei der Berechnung der Gehalte durch Verstärkungsauswandungen eingeführt wird, so klein wie möglich wird. (Diese Auswanderung der Verstärkung macht sich durch eine Versetzung des· Spektrums bemerkbar.)

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

ι - I

i = η

[U] = ν _Ü2._N.

[Th] = V „,./v,

i - 1

wobei au 32/ und an die Wichtungskoeffizienten sind, welche die jeweiligen Beiträge der drei Elemente zur Zählrate N₁ in einem Amplitudenfenster / gemessen wiedergeben.

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

worin b_h b,2, bn die Wichtungskoeffizienten sind, welche die Beiträge der jeweiligen Gehalte der drei Elemente zur Zählrate Mgemessen in dem Fenster /wiedergeben. Die Bohrlochuntersuchungsanordnung umfaßt insbesondere einen spektrometrischen Detektor für Gammastrahlung, die von der Formation ausgeht, Schaltkreise für die Messung der Zählrate der Impulse, die von dem Detektor erzeugt werden, mit Amplituden innerhalb von 77 Amplitudenfenstern, welche Schaltkreise einen Abtrennlogikschaltkreis umfassen, der für den Empfang der vom Detektor gelieferten Impulse zum Erzeugen von Impulsen an π Ausgängen angeschlossen ist, deren jeweilige Zählraten die der Impulse des Detektors sind, und zwar mit Amplituden, die sich innerhalb der η

Fenster befinden, η Impulszähler, die jeweils an die η Ausgänge des Abtrennlogikschaltkreises angeschlossen sind, einen Numerisch-Analog-Wandler, an dessen Eingang die Ausgänge der Zähler angeschlossen sind, einen Demultiplexer mit π Pfaden, deren Eingang an den Ausgang des Numerisch-Analog-Wandlers angeschlossen ist, und π Integratoren, die jeweils an die η Pfade des Demultiplexers angeschlossen sind, 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 Zähler Impulse Hefen, 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.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Bohrlochuntersuchungsanordnung besitzt einen Photovervielfacher 10 mit zugeordnetem Szintillator 11. Diese sind im Inneren einer (nicht dargestellten) Sonde untergebracht, die für die Untersuchung von Erdformationen bestimmt ist, welche von einem Bohrloch durchteuft sind. Der Szintillator 11 und der Photovervielfacher 10 dienen der Erfassung von Gammastrahlung, die von den Formationen ausgeht. Die an der Anode des Photovervielfachers 10 aufgefangenen Impulse werden zunächst einem Verstärker 12 zugeführt, dessen Ausgang gleichzeitig am Eingang eines Abtrennlogikschaltkreises 13 sechs Spannungskomparatoren 14A bis 14F zugeführt wird, deren jeweilige Bezugsamplituden A\ bis At die Grenzen der fünf Amplitudenfenster, die mit I, II, II, IV und V bezeichnet sind, definieren, in deren Inneren die Zählraten der Impulse gemessen werden müssen. Die Werte A\, A₂, A₂-Ai, Ai, Ai-Aa, Aa, A4—A^ und Λ?—At bilden jeweils die Begrenzungen der Fenster I. II, III. IV bzw. V. Die Amplituden A\ bis A_b entsprechen Energien £1 bis fi,, nämlich für einen Thallium-dotierten Natriumjodid-Szintillator, wie der hier verwendet wird:

Ei	= 0,15MeV
E₇	= 0,5McV
E,	= 1,1 MeV
E.	= 1,6MeV
E,	= 2MeV
Et	= 3McV

Der Abtrennlogikschaltkreis 13 umfaßt ferner fünl NICHT-Gatter 15ßbis 15Fund fünf UND-Gatter mi! zwei Eingängen 16Λ bis 16£ Diese verschiedener Elemente sind in folgender Weise zusäfnmengescha'iet Der Ausgang des Komparators 14,4 ist direkt mit einerr Eingang des UND-Gatters 16-4 verbunden, und dei Ausgang des Komparators 14ß mit dem anderer Eingang des UND-Gatters 16/4 über das NICHT-Gattei 15ß; der Ausgang des Komparators 14ß ist direkt mil einem Eingang des UND-Gatters 16ß verbunden, unc der Ausgang des Komparators 14Cmit dessen anderen· Eingang über das NICHT-Gatter 15C Der Ausgang de; Komparators 14C ist direkt verbunden mit einerr Eingang des UND-Gatters 16C, und der Ausgang de; Komparators 14D ist mit dessen anderem Eingang übei das NICHT-Gatter 15D verbunden. Der Ausgang de; Komparators 14D ist direkt verbunden mit einerr Eingang des UND-Gatters 16D, während der Ausgang des Komparators 14£mit dessen anderem Eingang übei das NICHT-Gatter 15£verbunden ist, und schließlich is

der Ausgang des Komparator 14E direkt verbunden mit einem Eingang des UND-Gatters 16E, und der des Komparator 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 A2 (Fenster I) nur den Komparator 14/4 auslöst; auf Grund dieser Tatsache und dank des NICHT-Gatters 15ß, das den Ausgang des Komparators 14ß vom Logikpegel Null auf den Logikpegel 1 transformiert, werden nur die beiden Eingänge des UND-Gatters 16/4 gleichzeitig aktiviert, das demgemäß einen Impuls liefert; ein Impuls mit einer Amplitude zwischen /4₂ und Ai (Fenster II) löst die Komparatoren 14/4 und 14ß aus; deshalb und dank des NiCHT-Gatters 15ß, das den Logikpegel i am Ausgang des Komparators 14ß in einen Logikpegel 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 16S aktiviert, das demgemäß einen Impuls liefert; ein Impuls der Amplitude zwischen A₃ und Aa, (Fenster III) löst die Komparatoren 14Λ, 14ßund 14Caus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15C, das den Logikpegel 1 am Ausgang des Komparators 14Cin den Logikpegel Null transformiert und dank des NICHT-Gatters 15£>, 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, das dann einen Impuls abgibt; ein Impuls mit einer Amplitude zwischen A4 und As (Fenster IV) löst die Komparatoren 14Λ, 14ß, 14Cund 14Daus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15D, welches den Logikpegel 1 am Ausgang des Komparators 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 As und Ab (Fenster V) löst die Komparatoren 14Λ, 14ß, 14C, 14£>und 14£aus; deshalb und dank des NICHT-Gatters 15£ welches den Logikpegel 1 am Ausgang des Komparators 14£in den Logikpegel Null transformiert und dank des NICHT-Gatters 15/% 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 einer Amplitude oberhalb Ab (welche alle Komparatoren auslösen) nicht zur Erzeugung irgendeines Impulses am Ausgang irgendeines der UND-Gatter 16Λ bis 16£ führen.

Auf diese Weise sind die Zählraten N12, M3, Nm, Ms und Me der erzeugten Impulse am Ausgang des Schaltkreises 13 über die UND-Gatter 16Λ bis 16Ejene 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 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 20/4 bis 20£an die Ausgänge der Stufen 19 angeschlossen, um die Impulse aufzunehmen, die jeweils geliefert werden von den UND-Gattern 16Λ und 16E Die parallelen Ausgänge dieser Zähler beaufschlagen einen numerischanalogen Wandler 21, gefolgt von einem Demultiplexer 22 mit fünf Ausgängen I bis V.

Eine Kadenz- oder Taktgeberlogikschaltung 23 hat die Aufgabe, gemäß dem Zyklus nach F i g. 3:

den Zählern 20Λ bis 2OE Übertragungsimpulse Γι bzw. Ts zuzuführen, sowie Null Rückstellimpulse R\ bzw. Rs, und dem Demultiplexer 23 Abtastimpulse D\ bis Ds zuzuführen.

Wie F i g. 3 zeigt, läuft ein Zyklus in folgender Weise ab;

Im Augenblick fi bewirkt der Impuls 7Ί die Übertragung des Zählerstandes des Zählers 20/4 zum Wandler 21, der nahezu gleichzeitig dem Demultiplexer 22 eine Spannung Vi zuführt, welche repräsentativ für diesen Zählstand ist,

im Augenblick U + Δί setzt der Impuls R\ den Zähler 20/4 auf Null zurück, und der Impuls D\ läßt die Spannung V| an den Ausgang 1 des Demultiplexers übertragen,

im Augenblick f2 bewirkt der Impuls Ti die Übertragung des Zählstandes des Zählers 20ß zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine Spannung V2 zuführt, welche repräsentativ für diesen Zählstand ist,
im Augenblick ti + At setzt der Impuls R2 den Zähler 20ß auf Null und überträgt der Impuls Ti die Spannung V2 auf den Ausgang II des Demultiplexers,
im Augenblick f₃ bewirkt der Impuls Ti die Übertragung des Zählstandes des Zählers 2OC zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine Spannung vs, repräsentativ für diesen Zählstand, überträgt

im Augenblick r₃ + Δί setzt der Impuls Λ3 den Zähler 20C auf Null zurück, und der Impuls D₃ schaltet die Spannung V3 zum Ausgang III des Demultiplexers durch, im Augenblick u bewirkt der Impuls 7i die Übertragung des Zählstandes vom Zähler 2OE zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine Spannung va zuführt, die repräsentativ für diesen Zählstand ist,
im Augenblick u, + At setzt der Impuls Ra den Zähler 20D auf Null zurück und bewirkt der Impuls Da die Übertragung der Spannung va zum Ausgang IV des Demultiplexers,

im Augenblick f₅ bewirkt der Impuls Ts die Übertragung des Zählstandes des Zählers 2OE zum Wandler 21, der dem Demultiplexer 22 eine diesen Zählstand repräsentierende Spannung Vs zuführt,

im Augenblick fs + At setzt der Impuls Rs den Zähler 2OE auf Null zurück, und der Impuls Ds schaltet die Spannung v$ zum Ausgang V des Demultiplexers durch.

Im Augenblick & beginnt ein neuer Zyklus, in dessen Verlauf die fünf Ausgänge des Demultiplexers 22 nacheinander Spannungen vi bis v$ liefern, die repräsentativ sind für 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 vi bis v% 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 Intervall von 0,2 Sekunden getrennt.

Fünf Integratoren 24/4 bis 24Esind an die Ausgänge I bis V des Demultiplexers 22 angeschlossen. Sie bewirken eine Integration der Spannungen v_{ bis v₅, vorteilhafterweise über vier Sekunden, um Spannungen Vi bis vs zu erzeugen, die als die Zählraten Λ/12, /V_2i, /V«, /V45 und Λ/56 repräsentierend angesehen werden können, Zählraten der Impulse, die von dem Verstärker 12 geliefert werden und Amplituden aufweisen, die jeweils in die Fenster I bis V fallen.

Die Spannungen vi bis v₅ 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 = an Vi + ai2V₂ + ai₃V3 + an V₄ + ai₅V₅
U = a₂i V, + a₂₂V₂ + a₂₃V₃ + a₂₄V₄ + a₂₅V₅
Th = a₃, V, + a₃₂V₂ + a₃₃V₃ + a₃₄ V₄ +

V₁ = fe,
V₂ = fc,
V₃ = fei
V₄ = fc,
V₅ = fe,

MU] + ^₁₃

[Th

O₄₂[U]H-O₄₃
O] + O₅₃

Th
Th

15

Die Matrize der Koeffizienten a, die hauptsächlich abhängt von den Charakteristiken des Strahlungsdetektors, wird bestimmt bei einer Eichung der Anordnung, ausgehend von der Messung der Werte Vi 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, U und Th ausdrücken:

Der Detektor wird in ein radioaktives Milieu gebracht, mit dem eine Formation simuliert wird, die nur K enthält mit einem bekannten Gehalt K₀, und die Koeffizienten öu bis bsi sind jeweils gegeben durch das Verhältnis V,/K_o bis V₅ZK₀. Die gleichen Messungen werden in zwei anderen Umgebungen durchgeführt, mit weichen Formationen simuliert werden, welche nur U bzw. Th enthalten, mit bekannten Gehalten an U₀ bzw. Tho; die Koeffizienten bn bis bsi werden demnach gegeben durch die jeweiligen Verhältnisse V;/Uo bis V5/U0, während die Koeffizienten bn bis b_5i gegeben sind durch die Verhältnisse Vi/Thobis V₅ZTh₀.

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

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

Vorteilhafterweise liefert der Analogrechner 25 eine vierte Spannung, die die Summe

Vi + V₂ + Vj + V₄ + V·, entsprechend der gesamten Gammaradioaktivität der Formation liefert. Dieser Wert wird ebenfalls durch die Anordnung 26 aufgezeichnet.

Natürlich hängt die Qualität der Ergebnisse, die von der gerade beschriebenen Anordnung geliefert werden, weitgehend ab von der Stabilität der Verstärkung des Photovervielfachers 10. Um diese Stabilisierung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, Techniken anzuwenden, die in der französischen Patentanmeldung FR-OS 72 45 585 beschrieben sind. Da sich im vorliegenden Fall das erfaßte Gammastrahlenspektrum bis zu 3 MeV erstreckt, und es keine Alphastrahlenquelle mit einer Energie oberhalb dieses Wertes gibt, verwendet man bei der Anordnung 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 Americium-241 -Quelle, deren Gammaemissionsspitze bei 60 keV liegt; das für die Messung ausgewertete Spektrum wird damit nicht beeinträchtigt.

Die Impulse am Ausgang des Verstärkers 12 werden einem zweiten Verstärker 27 mit einer Verstärkung in der Größenordnung von 10 zugeführt, gefolgt von einem Begrenzerschaltkreis 28, der so eingestellt ist, daß nur Impulse entsprechend Strahlungsenergien unterhalb 150 KeV durchgelassen werden. Der Ausgang dieses Schaltkreises beeinflußt dann eine Baugruppe 29, deren Aufgabe darin besteht, die Versetzungen der Spitze von 60 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 10 durch die Versorgungsspannungsquelle 30 beaufschlagt wird.

Alternativ kann die Berechnung der Gehalte an K, U und Th, ausgehend von den Zählraten Ni, 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:

Ni=bn[K]

f>,₃[Th]

Anders ausgedrückt, sucht man die Werte Vi bis V₅ ausgehend von Elementarwerten entsprechend den bekannten Gehalten an K, U und Th. Der Rest bei dieser Rekonstitution kann dann als ein Schätzwert betracht 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 auch mit Hilfe eines numerischen Rechners erfolgen, der direkt auf die fünf Zählraten Nn, N₂₃, Nm, Ms und N₅₆ die Rechnung entsprechend beispielsweise den folgenden drei Gleichungen anwendet:

K =

U = a2iJVi2 + S₂₂N₂₃ + a₂₃N_M +

Th = an N_n + a₃₂N₂₃ + a₃₃N_M +

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Geophysikalische Bohrlochuntersuchungsanordnung mit einer Bohrlochsonde zur Bestimmung der Konzentration der das Bohrloch umgebenden Erdformationen an den natürlichen radioaktiven Elementen Kalium, Uran und Thorium mit:

einem Detektor für die von der Formation ausgehende natürliche Gammastrahlung und zum Erzeugen von analogen Impulsen, deren Amplitude proportional zu der Energie der Gammastrahlung ist,

einem Analysierschaltkreis zur Bestimmung der Impulszählraten innerhalb von Amplitudenfenstern (Diskriminatoren), die im wesentlichen aneinandergrenzenden Spektrumsbereichen entsprechen, weiche jeweils die chrakteristischen Energiespitzen 1,46 MeV, 1,76 MeV bzw. 2,62 MeV dieser Elemente enthalten,
Auswerteschaltkreisen zur Bestimmung jeder Konzentration aus den gemessenen Zählraten und

einem Aufzeichnungsgerät zum Registrieren der jeweils bestimmten Konzentration über der Bohrlochtiefe, längs der die Sonde bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysierschaltkreis {14abc, 15λβγ, lf>ABt) zugleich für die Messung der Zählraten von Impulsen ausgebildet ist, deren Amplituden innerhalb mindestens eines zusätzlichen Amplitudenfensters entsprechend einem breiten spektralen Energieband, zumindest annähernd vollständig unter 1,46MeV liegen, und daß die Auswerteschaltkrcise (24a-& 25) für die Verarbeitung von mindestens vier der so erhaltenen Zählraten ausgebildet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zusätzliche Amplitudenfenster vorhanden sind und die fünf Amplitudenfenster folgende Spektralbereiche haben:

0,15 - 0,5MeV
0,5 - 1,1 MeV
1,1 - 1,6MeV
1,6 - 2MeV
2 - 3MeV.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen für die Bestimmung der jeweiligen Anteile einer Konzentrationseinheit der genannten radioaktiven Elemente zu den Zählraten innerhalb der fünf Spektrumsfenster, welche Einrichtungen mindestens drei Eichblöcke mit bekannten, aber unterschiedlichen Konzentrationen jedes radioaktiven Elements umfassen, durch Schallkreise zum Ableiten, aus diesen Anteilen, zugeordneter Wichtungskoeffizienten, die auf die Zählraten anzuwenden sind, um die Konzentration der jeweiligen radioaktiven Elemente zu bestimmen, und durch Schaltkreise für die Multiplikation der fünf gemessenen Zählraten mit dem jeweiligen Wichtungskoeffizienten bezüglich jedes radioakten Elementes und für die Addition der gcwichteten Zählraten zu einer die Konzentration desselben repräsentierenden Kenngröße.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysierschaltkreis umfaßt:

in der Sonde angeordnete Klassierschallkreise mit Bezugsquellen (A\ — A_b), Komparatorcn (144 — /j und Schaltern (16^ — /J zur Erzeugung von Binärimpulsen (Νη-κ) auf fünf Ausgängen durch Umschalten der analogen Impulse in fünf Amplitudenkategorien, von denen jede durch eine niedrige und eine hohe Bezugsquelle (A) definiert ist, wobei die Amplituden der Bezugsquellen (A) den Grenzen von fünf im wesentlichen aneinandergrenzenden Spektrumsfenstern einschließlich der drei Hauptfenster und zweier Hilfsfenster entsprechen, und

in eine programmierte Zähleranordnung (20a—e)

zum Zählen innerhalb fester Zeitintervalle der Anzahl von binären Impulsen (Ν\2-*), die an jedem Schalterausgang erscheinen und die jeweilige Zählrate der analogen Impulse inner-

r> halb der fünf Amplitudenfenster darstellen.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltkreise umfassen:

Multiplierschaitkreise (24*-^ und Koeffizienteneinstellschaltkreise für die Multiplikation der Zählraten (V₁ — v₅) mit experimentell festgelegten Wichiungskoeffizienten, wobei die Produkte Sätze von fünf gewichteten Zählraten, bezogen auf die drei radioaktiven Elemente, und Addierschaltkreise (25) für die Addition der

> fünf gewichteten Zählraten jedes Satzes, wobei

die drei Summen repräsentativ für die drei gesuchten Konzentrationen der radioaktiven Elemente sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-' jo zeichnet, daß die Auswerteschaltkreise einen zusätzlichen Addierschaltkreis aufweisen zum Bilden der Summe aller Zählraten, welche Summe repräsentativ ist für die gesamte von der Formation ausgehende Gammastrahlung und ebenfalls über der

η Sondentiefe aufgezeichnet wird.