DE2459303A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der von einem bohrloch durchteuften erdformationen mittels neutronenbeschuss der bohrlochumgebung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der von einem bohrloch durchteuften erdformationen mittels neutronenbeschuss der bohrlochumgebung

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DE2459303A1
DE2459303A1 DE19742459303 DE2459303A DE2459303A1 DE 2459303 A1 DE2459303 A1 DE 2459303A1 DE 19742459303 DE19742459303 DE 19742459303 DE 2459303 A DE2459303 A DE 2459303A DE 2459303 A1 DE2459303 A1 DE 2459303A1
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Hans Juergen Paap
Jun Robert William Pitts
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Description

Patentassessor Eöiiburg, den 3.-12 1974
Dr. Gerhard Schupfner . 770/ik
Deutsche Texaco AG
2000 Hamburg 13
Mittelweg 180 0? 74 041 D (D 73,208-P)
TEXACO DEVELOPMENT COEPOEATION
135 East 42nd Street New York, N.Y. IOO17 U.S.A.
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen mittels Neutronenbeschuß der Bohrlochumgebung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformation mittels Neutronenbeschoß der Bohrlochumgebung. Dabei wird eine in der Intensität modulierte Wolke schneller Neutronen ausgelöst und in das das Bohrloch umgebende Erdreich gegeben. Aus den in der Intensität modulierten schnellen Neutronen resultiert eine.Wolke thex*mischer Neutronen, die beim Verlangsamen der schnellen Neutronen erzeugt werden. Sich axif die thermische Neutronenwclkc besiehende Parameter werden dabei gemessen. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Meßsonde benutzt, die einen Neutronenbeschleuniger des Deuterium-Tritium-Typs zur Erzeugung hochenergetischer Nen/fcronen aufweist, dessen Neutronenausstoß in der Intensität moduliert ist, während .sich die Meßsonde
509825/0318
mm Cm» mm
im Bohrloch befindet. Die Messungen der thermischen Neutronen-Charakter istika werden zur Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen den thermischen und den schnellen Neutronen benutzt.
Derzeit sind zwei grundlegende Bohrloch-Meßtechniken bekannt, bei denen Neutronen oder durch Neutronen induzierte Gamma-. strahl-Messungen im Bohrloch zur Identifizierung von thermischer Neutronen-Zerfallzeiten-Charalcfceristika der Erdformationen benutzt werden. Diese Neuferonen-Zerfallzeit-Messungen haben sich speziell zur Erforschung der Erdformationen in ausgefütterten Bohrlöchern als geeignet erwiesen. Bei beiden Meßtechniken weist die durch das Bohrloch geführte Sonde eine pulsierende Quelle für hochenergetische oder schnelle Neutronen (14 MeV) auf. Bei der einen Meßart werden in sich wiederholender Weise Neuronen ausgestoßen. Aufgrund jedes schnellen Neutronenimpulses wird eine Wolke dieser schnellen Neutronen in einer im. wesentlichen kugelförmigen Ausbildung von der Quelle aus in die das Bohrloch umgebenden Erdformationen eingegeben. Bie schnelle Neutronen-Wolke dringt von der Quelle aus cLurch den Bohrschlams durch das Futterrohr und durch die Zememtlage zwischen dem Futterrohr und der Bohrung. Jeder diese:*? schnellen Neutronenimpulse weist annähernd eine konstante Intensität auf und existiert typischerweise über eine Zeitdauer von 20 bis JO M ikr ο Sekunden, wss ausreicht, eine thermische Neutronen-Bevölkerung in der Srdformation zu erzeugen. Die Ansah! der in dieser Wolke vorhandenen thermischer^ Neutronen fällt
603826/001«
expotential gemäß ihrem Einfang durch Formationskerne ab. Nach einer anfänglichen Zeitperiode von ungefähr 300 Mikr ο Sekunden, während der die resultierende Gammastrahlen-Radioaktivität im Bohrloch wirkt, sind der Bohrlochschlamm und die SHitterrohrtour im wesentlichen verbraucht, so daß Messungen der im Bereich des Bohrloches auftretenden thermisierten Neutronen während zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zur Bestimmung einer expotentialen Zerfallskurve für die thermische Neutronenbevölkerung der Formation benutzt werden können. Die beiden Zeitintervalle können z.B. zwischen 400 bis 600 Mikrosekunden und zwischen 700 bis 900 Mikrosekunden liegen. Bei Vernachlässigung von Diffusionseffekten kann die Beziehung des Zerfalls der thermischen Neutronenbevölkerung in einem homogenen Medium mit einem makroskopischen Einfangquerschnitt <£_» wie folgt ausgedrückt werden:
wobei N. = die Anzahl thermischer Neutronen zu einem Zeitpunkt T-
Np = die Anzahl thermischer Neutronen zu einem Zeitpunkt 0?2
e - Basis der Logarithmen
Ϊ = die Zeit zwischen den beiden Messungen (T2-T^.)
ν =' die Geschwindigkeit der thermischen Neutronen bedeutet.
Der makroskopische Einfangquerschnitt· eines Speieherge·- &teins (der aus Gleichung 1 erhältlich ist) ist abhängig
509825/0810
von seiner Porosität, der Salinität des lOrmationswassers und der Menge und der Art des in den Porenräumen enthaltenden Öls, so daß eine verwertbare Messung erhältlich ist.
Wenn Neutronen einer hochenergetischen Quelle in Wechselbeziehungen mit den im Bohrloch befindlichen und dieses umgebenden Materialien oder Medien treten, werden die Neutronen verlangsamt oder verlieren Energie. Wasserstoff, der sowohl im Wasser als auch in Kohlenwasserstoffen vorhanden ist, zählt zu den wichtigsten Medien, die ein "Abbremsen" der Neutronen bewirken. Nachdem die schnellen Neutronen "abgebremst" sind, werden sie von den Kernen der Formation (vorzugsweise durch Chlor) eingefangen und erzeugen charakteristische Gammaeinfangstrahlen, bevor sie in einen stabilen Zustand zurückfallen. Die durch den Einfang erzeugten Gammastrahlen werden während der zwei unterschiedlichen Zeitintervalle gemessen. Die Anzahl dieser ermittelten Gammastrahlen ist proportional zur thermischen Neutronenbevölkerung, die die Meßsonde umgibt. Die thermischen Neutronen können ihrerseits während dieser Zeitintervalle entweder durch die Verwendung von E0^ oder anderen Neutronendetektoren ermittelt werden. Durch die Messungen bei festgelegten Öffnungszeiten der Gatter kann somit der Einfangs-Querschnitt Σ bestimmt werden.
Eine andere Technik zur Messung der Zerfallkonstanten der thermischen Neutronen oder Neutronen-Halbwertzeit verwendet Cen Eeziprokwert des makroskopischen Einfang-Quer schnitt es S , der als Wert X definiert ist (Zeit-konstante zur _ 5
B09825/Q81ä
Absorption der thermischen Neutronen). Eine Beziehung ist somit im Wert von^wie folgt definiert:
N = NQ e , wobei ~= 72Γ
und N = die thermische Neutronendichte zu irgendeinem Zeitpunkt T
N = die thermische Neutronendichte zu einem Ano
fangszeitpunkt ü?0
e = die Logarithmusbasis und
f = die Zeit ist, die benötigt; wird, damit die >
Neutronenbevölkerung auf den J- -Wert seines
e Wertes zum Zeitpunkt T0 abfallen kann.
Meßsonden, die die letztgenannte Technik benutzen, stellen die Anzahl der Gamma einfangs strahl en während zweier aufeinanderfolgender Zeitintervalle fest, um die Zerfallkurve zu definieren, bei der die zwei Zeitintervalle der Messung als Funktion des tatsächlich gemessenen ^-Wertes definiert sind und der Tl-Wert zur Festlegung der Impulsbreite des Neutronenausstoßes, der Halteintervalle zur Messung und der Meßintervalle benutzt wird.
Bei den· beiden vorbeschriebenen Systemen v/ird die Zerfallzeit der thermischen Neutronen als eine Punktion derjenigen Zeit bestimmt, die einem Neutocmenausstoß von im' wesentlichen konstanter Intensität· £olgt. Im Gegensatz dazu basieren die Messungen bei der voorliegenden Erfindung auf hochenergetischen Neutronen, die τζόώ. einer intensitäts-
• β S0982S/Ö818
modulierten Neutronenquelle erzeugt werden und relativ auf die Phase der resultierenden thermischen Neutronenbevölkerung, wie sie durch die Gammaeinfangstrahlen der thermischen Neutronen definiert, bezogen sind.
In der vorliegenden Erfindung weist die Meßsonde eine intensitätsmodulierte Quelle schneller Neutronen, einen Detektor für thermische Neutronen und einen Detektor für Gammastrahlen auf. Die Neutronenquelle erzeugt eine im wesentlichen harmonisch sich verändernde Bevölkerung schneller Neutronen als Funktion der Zeit, die in die die Meßsonde umgebenden Medien abgestrahlt wird. Die aus der "Abbremsung" der schnellen Neutronen in den umgebenden Medien resultierende thermische Neutronenbevölkerung, die ihrerseits eine phasenkohärente Neutronenwolke beinhaltet, wird vom Gammastrahlen-Detektor ermittelt (der. zu diesem Zweck in einer gewissen Entfernung angeordnet ist). Der relative Phasenwinkel dieser thermischem Neutronenwolke (die intensitätsmoduliert ist) zur schnellen Neutronenv/olke, wie sie von der Quelle erzeugt wurde, wird gemessen. Der Neutronen-Detektor ist so angeordnet, daß er primär die thermische Neutronenbevölkerung, die desn Bohrloch zuzuschreiben ist, ermittelt. Die Phasenlage dieser thermischen Neutronenbevölkerung wird relativ zur intensitätsmodulierter. Neutronenquelle gemessen. Der zusammengesetzte Phasenwinkel, der vom Gammastrahlen-Detektor gemessen wird, (und als eine Kombination einer Formätionskomponente tmd einer Bohrlochkomponente vorstellbar ist) relativ zur Neutronenquelle,
.. 7 SO9825/Ö810
wird aus der Anregung des Gammastrahlen-Detektors ermittelt. Der Phasenwinkel der Bohrlochkomponente in "bezug auf die Neutronenquelle wird aus der Anregung der thermischen Bfeutronen-Detektors errechnet. Wird der Phasenwinkel für die Bohrlochkomponente vom Phasenwinkel des zusammengesetzten Bohrloch- und SOrmationskompbnente angesogen, erhält man den Phasenwinkel der IFormationskomponeirfce allein. Die Phasenwinkel werden aus den zusammengesetzten Zähvorgängen der "beiden vorgenannten Detektoren in einer speziellen Art und Weise bestimmt, um die Tangenswerte der Phasenwinkel abzuleiten. Aus dem Tangenswert für den Phasenwinkel kann die Zerfallzeit der thermischen Formationsneutronen oder der entsprechende makroskopische Einfangs-Querschnittswert festgestelltSwerden.
Das System zur Bestimmung der Zerfallzeit oder' des Einfang-Querschnittes thermischer Forma tionsnetitronen beinhaltet eine Meßsonde zur Erzeugung positiver, scharf ausgebildeter elektrischer Impuls-Signale, die repräsentativ für die Radioaktivitäts-Zählvorgänge eines Gammastrahlen-Detektors sind; eines positiven, großen, scharf ausgebildeten Synchronisationsimpulses für jeden Zyklus einer Intensitätsfolge schneller Neutronen und ..- negativer, scharf ausgebildeter elektrischer Impuls-Signale, die repräsentativ für die thermischen Neutronen sind, die vom thermischen Neutronen-Detektor ermittelt sind. An der Erdoberfläche weist das System ein Aufzeichnungsgerät; zur Erzeugung von Meßaufzeichnungen als Punktion der Bohrlochtiefe auf.
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Die im Bohrloch, getätigten Messungen werden dergestalt getrennt, daß die Gammastrahlen-Zählsignale einem ersten BerecJmungs-Schaltkreis und die thermischen Neutronen-Zählsignale einem zweiten. Berechnungs-Schaltkreis zugeführt werden können. Der erste Berechnungs-Schaltkreis bestimmt den Tangens des vorbeschriebenen zusammengesetzten Phasenwinkels, während der zweite Berechnungs-Schaltkreis den Tangens des zur Bohrloch-Komponente gehörenden Phasenwinkels bestimmt. Aus dem Formations-Komponentenwert wird der thermische Neutronen-Einfangsquerschnitt oder die Zerfallzeiten bestimmt und aufgezeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung aus der sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Gesamtansicht der Vorrichtung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Neutronenquelle zur Erzeugung in-fceesitätsmodulierter hochenergetischer Neutronen,
Fig. 3 eine Darstellung eines Heutronen-Erzeugungszyklus, dargestellt in Iixfcensitätswerten als Funktion der Zeit,
Fig. 4· eine Darstellung eines Ansprechzyklus thermischer Neutronen, dargestellt in Intensitätswerten als Funktion der Seit und in bezug auf
die Kurve gemäß Fig. 3>
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Pig. 5 eine schematisierte Darstellung der Oberflächen-Einrichtung zur Verarbeitung der im Bohrloch abgeleiteten Signale,
Pig. 6 eine detailliertere Darstellung der Einrichtung gemäß Pig. 5» und
Pig. 7 eine zeitbezogene Darstellung elektrischer Signale in bezug auf die schnellen und thermischen ITeutronenwolken.
In Pig. 1 ist ein Bohrloch. 10 dargestellt, das die Erdformation 11 durchteuft und von einem einzementierten Futterrohr ausgekleidet sein kann. Im Bohrloch 10 ist eine an einem armierten elektrischen Meßkabel 13 aufgehängte Meßsonde 12 angeordnet, wobei das Meßkabel auf einer an der Erdoberfläche angeordneten Winde 14 aufgespult wird. Ein elektrischer oder'mechanischer Mechanismus von herkömmlicher Ausbildung, und schematisiert dargestellt durch die gestrichelte Linie 16, übermittelt die Daten der Teufenlage der Meßsonde 12 über eine Rolle 16 A zum Meßwagen 15, so daß die ermittelten Meßdaten der Sonde stets einer definierten Teufenlage zugeordnet werden können.
Die für die \Torliegende Erfindung benutzte Meßsonde 12 weist ein Ha sent eil 12 A an ihrem unteren Ende, eine neutronenerzeugende Quelle 12 B, eine Strahlungs-Abschirm-Einrichtung 12 0, einen thermischen Neutronen-Detektor 12 D, einen Gammastrahlen-Detektor 12 E und ein Elektronik-Teil 12 P auf.
-. 10 -
S09825/0818-
Der Neutronen-Detektor 12 D kann als He- oder BI?,-Ein-
richtung ausgebildet sein."Der Gammastrahlen-Detektor 12 E
(Tl")
kann als NaJ -Kristall ausgebildet sein, das optisch mit einer Fotovervielfacherröhre gekoppelt ist. Im Elektronikteil 12 1 sind Stromquellen, ein Synchronisierirapuls-Generator und Signalhöhen-Detektoren zur Erzeugung elektrischer Signale vorgesehen, die repräsentativ für die Gammastrahlen- und thermischen Neutronen-Signale von den Detektoren 12 D und 12 E sind.
Die Energie für die Einrichtungen der Heßsonde wird über Leiter in dem armierten Meßkabel 13 von einer übertägig im Meßwagen 15 untergebrachten Stromquelle (nicht dargestellt) zugeführt. Das armierte Meßkabel kann als herkömmliches Mehrleiter-Meßkabel oder als armiertes Koaxialkabel ausgebildet sein. In der vorliegenden Erfindung werden die vom Detektor 12 D ermittelten thermischen neutronen zwecks Übermittlung nach Übertage den Leitern, des Meßkabels 13 augeführt und als scharf ausgebildete, in dem Elektronik-Teil 12 E1 erzeugte negative Spannungs-Iapulse der obertägig angeordneten Impuls-Verarbeitungs-Einrichtung übermittelt. Die vom Gammastrahlen-Detektor 12 E ermittelten Gammastrahlen werden in gleicher Weise der Impuls-Verarbeitungs-Einrichtung als positive Spannnngs-Impulse zugeführt. Weiterhin wird ein- positiver Synchronisations-Impuls. der eine größere Amplitude als die vorgenannten Impulse aufweist, von dem Elektronik-T-eil 12 Έ für jeden vollen Zyklus einer haraonisehen Intensitäts-Modulation
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der Quelle 12 B erzeugt und dem Meßkabel 13 übermittelt.
Als Neutronen-Quelle 12 B wird vorzugsweise eine Quelle des Deuterium-Tritium-Beschleunigertyps verwendet. Diese Neutronen-Quelle beschleunigt Deuteriumionen auf ein Auffangmaterial, das mit Tritium imprägniert ist. Die Deuteriumionen werden von einem Auffrischer geliefert, der normalerweise ein mit Deuterium imprägniert?es Material aufweist, das durch Erhitzen zum Kochen gebracht wird. Die so erzeugten Deuteriumatome werden einer Ionen-Quelle zugeführt, die einen Teil einer Röhre beinhaltet, in der elektrische Felder zur Ionisation des Deuterriums vom Auffrischer erzeugt und die positiven Ionen au einem Strahl gebündelt werden, der zur Beschleunigung auf das Auffangmaterial, das auf einem stark negativen Potential gehalten wird, verwendbar ist. Die Ionen-Quelle ist mit einem Elektrodenaufbau versehen, der analog zu einer herkömmlichen Vakuum-Triodenröhre ist und ein Element aufweist, das dem Steuergitter einer solchen Röhre entspricht. Durch Anlegen einer mit der Zeit sich verändernden Spannung an dieses "Steuergitter"-Element, kann der daraus resultierende Neutronenausstoß der Beschleunigerröhre zur; Erzeugung eines harmonisch in der Intensität sich verändernden Neutronenausstoßes moduliert werden.
Falls die Verwendung einer mechanischen Quelle eher gewünscht wird als eine Quelle des Deuterium-Tritiumtyps, kann die Quelle gemäß Pig. 2 alternativ verwendet werden. Ein zy-
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lindrischer Kern 20 aus Beryllium ist für eine rotatorische Bewegung um "seine Zentralachse 21 angeordnet und von einem Motor 22 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben. An der Außenfläche des Berylliumkerns sind in Längsrichtung zwei Segmente 23 aus Nickel angeordnet, die dianetral sich gegenüberliegen und jeweils einen 90°-Quadranten überdecken. Eonzentrisch zur Zentralachse 21 ist ein rohrförmiges äußeres Gehäuse 24 angeordnet, das relativ zum Kern 20 stationär angeordnet ist. An der Innenwand des Gehäuses 24, sich ebenfalls in Längsrichtung erstreckend, sind zwei sich diametral gegenüberliegende Segmente 25 aus Plutonium 238 oder Actinium 227 angeordnet. Die Segmente überdecken ebenfalls jeweils einen 9O°-Quadranten. Die Form der Segmente 25 und 23 ist dergestalt ausgebildet, daß bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Segmente zueinander eine harmonische Funktion von Alpha-Teilchen, die vom radioaktiven Element ausgestoßen werden, ermöglicht wird, um den Berylliumkern zu erreichen. Mit diesem System erzeugt die Rotation des Kernes 20 eine in der Intensität variierende (als Funktion der Zeit) Heutronenwolke, die in der Intensität harmonisch moduliert ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es hilfreich, das zugrundeliegende Prinzip zu erklären. In dieser Erklärung werden zwecks leichterer Analyse verschiedene vereinfachende Annahmen gemacht. So wird zum Beispiel angenommen, daß eine räumlich verteilte Quelle thermischer Neutronen (oder eine Neutroneawolke) in der Erd-
„ 13 -
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formation durch die Aktion der hochenergetischen neutronenquelle erzeugt wird. Weiterhin wird angenommen, daß die
Abbremszeit11 T„ für die von der Neutronenquelle erzeugten schnellen Neutronen beträchtlich kürzer ist als die Zerfalls zeit T (wie vorbeschrieben definiert) der thermischen Neutronen. Die Annahme gilt z.B. in hochporösen, fluidgesattigten Sänden.
Die folgende Differentialgleichung für die zeitliche Veränderung der thermischen Neutronenbevölkerung N in der Erdformation ist aus den grundlegenden Gesetzen ersichtlich:
in der NQ = die durchschnittliche Anzahl der erzeugten schnellen Neutronen,
1 = die Anzahl der zeitlich t harmonisch variierenden
schnellen Neutronen bei einer Frequenz w, N = die thermische Neutronenbevölkerungsdichte, /I, - ψ ι wobei 1E die thermische Neutronenzerfallszeit bedeutet,
- 1
~ E", wobei Vq die "Abbrems "-Zeit eines Neutrons bedeutet und " A ~
w = 2Tfν·= ψ^~ > wobei Ψ die Frequenz der Intensitätsmodulation der schnellen Neutronenquelle und T die Zeitperiode ist, bedeutet.
Die Lösung der Gleichung 3 für die thermische Neutronenbevölkerungsdichte als Funktion der Zeit IT(t) kann wie folgt dargestellt werdeni
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N(t) - *B_ . N0 Hy=
In dieser Gleichung stellt ψ den Wert eines Phasenwinkels der Intensität thermischer Neutronen in der Formation in bezug zur Intensität der Neutronenquelle dar. Diesen Phasenwinkel kann man sich als Zeitverschiebung in der Erzeugung der thermischen Neutronenbevölkerung aus der Bevölkerung schneller Neutronen vorstellen, der eine Funktion der Eigenschaften der Formation bezüglich der thermischen Neutronen ist.
Der Phasenwinkel y7, durch den die Phase der thermischen Neutronenbevölkerungsdichte N(t) hinter der Intensität der Quelle hereilt, ist durch die folgende Gleichung gegeben:
ψ= arctan (-Jf)= arctan (-W-1ZT) = arctan (-2^)... (5)
Die Gleichung 5 kann zur Ableitung einer Messung der thermischen Neutronenzerfallszeit L der durchteUfteii Erdformation durch die Messung des Phasenwinkels Ψ benutzt werden. Die Bestimmung der thermischen Neutronenzerfallszeit c durch eine Phasenwinkelmessung wird in der vorliegenden Erfindung für den Fall bevorzugt, daß Einwirkungen der Eintergrundstrahlung automatisch mit in den Zählvorgang, wie nachfolgend noch näher beschrieben, eingehen.
Werte für den Phasenwinkel ψ, die bei verschiedenen Erregerfrequenzen und thermischen Neutronenserfallszeiten üblicherweise bei thermischen Neutronenserfallsaeit- oder Neutronen-
_ 1.5 _ 609825/0818
lebenszeit-Messungen zu erwarten sind, sind in der Tabelle dargestellt. Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die niedrigeren Arbeitsfrequenzen in einem breiteren dynamischen Bereich für die Phasenwinkelmessungen resultieren.
Tabelle 1
Zerfallszeiten Phasenwinkel ψ bei Modulationsfre-
yC/sek. quenzen der Quelle von
100 Hz 200 HJc 1000
50 10W 3°36« 17°26·
100 3°36' 7°9' 32°8·
200 7°9· 14°6' 51O3^'
400 14°6' 26°40< 68°17'
Als praktikabler Kompromiß zwischen dem dynamischen Bereich und der Größe der Phasenverschiebungswirkung wird eine Modulationsfrequenz von etwa 400 HZ bei der vorliegenden Erfindung benutzt. J?ür den Durchschnittsfachmann ist es jedoch ersichtlich, daß andere Modulationsfrequenzen oder Wellenformen als .reine Sinuswellen mit den gleichen Ausrüstungen verwendet werden können, und unter bestimmten Bedingungen sogar vorzuziehen sind.
In der tatsächlich vorliegenden Bohrlochmeß-Geometrie muß der Einfluß der Bohrlochumgebung" ebenfalls in Rechnung bezogen werden. Der tatsächlich durch die Meßsonde gemessene
- 16'-
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Phasenwinkel T ist eine Überlagerung von Bohrloch- und Formationrskomponenten, cl.h.,
R - e1^ = HB eifß + Ερβ ' F .... (6)
wobei R = die zusammengesetzte Amplitude der Intensität der thermischen Neutronen-Messung bei einem Phasenwinkel τ in bezug auf die Quelle, Et» = die Amplitude der Bohrloch-Komponente der thermischen Neut r onenint ens ität,
E-C, = die Amplitude der Formations—Komponente der thermischen Neutronenintensität,
Tg = den zur Bohrloch-Komponente gehörigen Phasenwinkel und
t/L· = den zur Formations-Komponente gehörigen Phasenwinkel darstellt.
Der Tangens des Phasenwinkels. 7 in Werten der resultierenden Bohrloch- und Formations-Komponenten kann wie folgt dargestellt werden:
= (RB sin^B + Ep sin^,)/ (E£ cos /B+% cos f^) ..(7)
LB oder tan ^ =
Für die meisten der angetroffenen Winkel und Frequenzen unter 5OO Hz und in der Tabelle 2 aufgelisteten Werte
EVR151, kann das Verhältnis von C0S^B gleich 1 gesetzt
- cosfp
werden, ohne daß ein Fehler auftritt, der vom tatsächlichen
Wert mehr als einige Prozent entfernt liegt.
609 825/0818
Aus diesem Grund kann die Gleichung (7) angenähert durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
tanf » (X - tanVB + tanfF /(1 + X) ......(8)
tan / j, Si tan Ϋ + X · (tan ^- tan T B )
3
wobei X = τ?- ist.
Bei einem tan τ der angenähert tan/^, ist, gestaltet sich das Verhältnis
Größe der BohrIoch-Komponente E-r,
" Größe der Formations-Komponente Bg1 verglichen mit dem tanf relativ klein.
Die terhmische Heutronenzerfallszeifc der Bohrloch-Komponente wurde in einer typischen "Gulf-Coastn-Bohrung.gemessen •und beträgt durchschnittlich 35 /*sek, woraus ein kleiner tan /-g Wert resultiert. Zur Eliminierung von Fehlern, die durch Bohrloch-Komponenten auftreten, sollte der Verhältniswert X = b~ simultan mit dem tanz gemessen werden, da KF E
der X-Wert porositätsabhängig ist. Das Verhältnis X = kann kleiner gehalten werden, indem man die Entfernung zwischen der Neutronenquelle und dem. Detektor vergrößert, wie aus Tabelle 2 für PlBe-Keutronen und einem 50,8 mm χ 101,6 mm - 2TaJ(Tl)-Detektor in Süßwasser-Kalkstein und einem mit einem Futterrohr ausgekleideten und süßwassergefülltem Bohrloch hervorgeht.
- 1S 509825/0818
./If"
Porosität % Entfernung = 400,05 Mm;571,5 mm;685,8mm;904,24mm
13,^· 1,8- i 0,82 ; 0,61 ; 0,362
25,5 1,3 ί 0,47 ; 0,28 ;
Die Verbesserung in der Messung des genauen IOrmations-Phasen winkeis mit der Entfernung und Eeduzierung von X ist in der Tabelle 3 für eine Kalksteinformation gemäß Tabelle mit einer Porosität von 25',5 % dargestellt.
Tabelle Λ 571, 5 mm 685,8 mm
»"= 100 HZ; Y3= 1°15-'·; ^0. =
Entfernung		 14° 28 · ; T=
400,05 mm		 10°
-30,		 21
6%		 11°38'
-19,3%
ψ (gemessen)
%-Abweichung von / -a 		7°4«
-51%
Aus detaillierten Untersuchungen eines Cfclor-Bohrloch-Meßsystems, das einen NaJ(Tl)-Gammastrahlen.-Detektor aufweist, hat sich herausgestellt, daß die zur Bohrloch-Umgebung zugehörige Gammastrahlen-Komponente in bezug zum vom Detektor ermittelten Gesamtwert, direkt proportional zum thermischen Eeutronenfluß innerhalb des Bohrloches ist. Der thermische Heutronenfluß im Bohrloch wird aus einer separaten thermischen Neutronen-Messung mit einem thermischen Meutroaen-Detektor, wie z.B. einem Ke- oder einer BF--Zähleinrichtung, ermittelt. Bei Verwendung einer zweckdienlichen Eichung, kann die im vom Detektor ermittelten Gesamtwert eingeschlossene Bohr-
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Λ.
loch-Komponente R-g von diesem Gesamtwert abgezogen werden, so daß die Formations-Komponente R·™ übrigbleibt. Der Phasen winkel Ψ-ο der Bohrloch-Komponente ist ebenfalls aus der Bohrloch-Komponenten-Messung erhältlich. Nach Erhalt der so bestimmten Werbe R-g, Kj1 und Tg, ist der wahre Phasenwinkel Yp der lOrmations-Komponenten aus dem zusammengesetzten Phasenwinkel 7 ,erhältlich. Der Wert für tan ψ-^ ist aus den Gleichungen 7 und 8 errechenbar. Mit dem Wert für tan /^1, ist unter Zuhilfenahme der Gleichung 5 die thermische Neutronenzerfallszeit erhältlich.
Der makroskopische Einfangs-Querschnitt V der thermischen Neutronen ist eine Funktion der thermischen Neutronenzerfallszeit und definiert als
wobei T*in Mikrosekunden angegeben ist und 2? in cm /cm .
Die thermische Neutronenzerfallszeit der Bohrloch-Komponente ist im wesentlichen klein und praktisch konstant über die gesamte Bohrung gemäß der Gleichförmigkeit der Bohrlochflüssigkeit. Diese Größe ist oft von Bohrloch zu Bohrloch in einem bestimmten geographischen Bereich gleichbleibend. In einem solchen Pail kann es durchaus unnötig sein, den tan ψ-Q zu messen. Vielmehr kann ein repräsentativer Wert für einen speziellen geographischen Bereich als eine Meßsonden-Konstante eingegeben werden.
Bie Tangens der Phasenwinkel τ und f -u werden durch Zählung
- 20 -
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der Gammastrahlen, die repräsentativ für den thermischen Neutroneneinfang sind, und durch Zählung der thermischen Neutronen, die repräsentativ für den thermischen Neutronenfluß im Bohrloch, während der aufeinanderfolgenden Quadranten der Modulationsperiode der Neutronenquelle gemessen. Gemäß Fig. 3 ist eine vollständige Periode der Intensitätsmodulation der Neutronenquelle als Kurve N dargestellt. In Pig. 4- ist eine vom Detektor ermittelte Kurve D dargestellt. Der Zeitpunkt Tq ist der Nulldurchgang, von dem aus die augenblickliche Neutronenintensität zu starten "beginnt, um den durchschnittlichen Neutronenausstoß des Neutronen-Generators zu übersteigen. Während, des Zeitintervall es ^λ-Τ/ι (die einem Viertel der Modulationsperiode der Neutronenquelle entspricht), werden die Zählvorgänge Gy, vom Detektor in einem Zählwerk akkumuliert. Für jeden nachfolgenden Zeitintervall-Quadranten QL-T2, Tp~T5 1^ T3~T4» werden die entsprechenden Zählvorgänge C2, C^ und CL in anderen Zähleinrichtungen akkumuliert. Die Phasenverschiebung der Detektor-Kurve D gegenüber der Kurve N, ist eine Funktion der Zeit und des Phasenwinkels τ, wobei
At = ——ί (10)
2 T/ T
Der Tangenswert der Phasenverschiebung der Detektor-Kurve D gegenüber der Kurve N ist durch die folgende Gleichung gegeben:
& (C1 + C4) - (C2 + σ,)
tan 2
(C1 + C2) - (C3 + C4)
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Aus der Gleichung 11 ist es augenfällig, daß jegliche Hintergrundstrahlung aufgrund der natürlichen Eadioaktivität mit einer Halbwertzeit, die beträchtlich langer als die Modulationsperiode der Neutronenquelle ist, automatisch aus der Messung herausfällt. Dieser Umstand rührt daher, daß die Hintergrundstrahlung (solange sie eine längere Periode als die Modulation aufweist) als im wesentlich konstant in jedem Zeitquadranten des Modulationszyklus angenommen werden kann.
In Fig. 5 ist eine Verarbeitungseinrichtung für die ankommenden Daten zur Bestimmung des Verhältnisses der Bohrloch-Komponente zum überlagerten Signal, der thermischen Neutronenzerfallszeit ^oder dem makroskopischen Einfangsquerschnitt JZ aus dem überlagerten Phasenwinkel *f und dem Phasenwinkel Y-q der Bohrloch-Komponente. Diese Verarbeitungseinrichtung ist im Meßwagen 15 O?ig· 1) untergebracht. Die Summe der beiden Einzel-Komponenten (E„ + E-g\, die Bohrloch-Komponente E-g .und das Verhältnis Eg/Ep werden außerdem noch bestimmt. Die thermische Neutronenzerfallszeit ¥ für die Zusammensetzung der umgebenden Medien wird in einem ersten Verarbeitungs-Kanal bestimmt. Die Zerfallszeit *C"L für die Bohrloch-Komponente wird in einem zweiten Verarbeitungs-Kanal 31 bestimmt. Die Größe der Gesamt-Formatioris-Komponente (E-g, + Rg) wird in einem dritten Verarbeitungs-Kanal 32 bestimmt,-während die Größe der Bohrloch-Komponente Eg in einem vierten Verarbeitungs-Kanal 33 bestimmt wird.
Wie aus Pig. 5 zu ersehen, werden die Spannungssignale, die
- 22 -
' 509825/0818
die Synchronisations-Impulse vom Elektronik-Teil 12 P (Pig. 1), die positiven Spannungs-Impulse der Gammastrahlen-Messungen vom Detektor 12 E (Pig. 1) und die negativen Impulse der thermischen Neutronen-Messungen vom Detektor ρ (Fig. 1) enthalten, einer Impuls-Vereinzelungs-Einrichtung 40 zugeführt, in der die großamplitudigen positiven Synchronisations-Impulse und kleineramplitudigen positiven Gammastrahlen-Impulse von den thermischen Neutronen-Impulsen aufgrund ihrer Polarität durch die Verwendung einer Dioden-Logik-Schaltung getrennt werden· Die Synchronisations- und die Gammastrahlen-Impulse werden zur Verstärkung einem Impuls-Verstärker 41 zugeführt. Eine Einkanal-Impulshöhen-Analysiereinrichtung 42 ist mit dem Ausgang des Impuls-Verstärkers 41 gekoppelt und vereinzelt die Gammastrahlen-Impulse auf der Basis ihrer Amplituden. Die Ausgangs-Signale der Analysier einrichtung 42 werden über eine Leitung 43 den Verarbeitungs-Kanälen 30 und 32 zur weiteren Berechnung unter Verwendung dieser Signalwerte zugeführt. Pur Steuerungszwecke ist eine weitere Einkanal-Impulshöhen-Analysiereinrichtung 44 ebenfalls mit dem Impuls-Verstärker 41 gekoppelt und trennt auf der Basis ihrer Amplituden die Synchronisations-Impulse, die danach einer Ausgangsleitung 45 zugeführt werden. Die Synchronisationsimpulse in der Ausgangs-Leitung 45 werden zur Synchronisation von Steuergattern 46 und 47 benötigt, die ihrerseits Ausgangssignale erzeugen, die zu bestimmten Zeitintervallen bezüglich der Modulationsperiode Datentorschaltungen betätigen.
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!Tür jede Modulationsperiode der Quelle 12 B (!'ig. 1) wird, wie vorbeschrieben, ein Synchronisations-Impuls erzeugt«,
Die Gammastrahlen-Impulse von der Analysiereinrichtung 42 werden über die Leitung 43 einem mehreingängigen ÜUD-Gatter 50 zugeführt. Das Steuergatter 46 konditioniert das UND-Gatter 50 für ein nacheinander erfolgendes Durchlassen von Gammastrahlen-Impulsen während vier gleichlanger Zeitquadranten, die zwischen den Zeitpunkten Tq-T., T^-Tp, Tp-T5, und T55-T2, (siehe Pig. 4) definiert sind. Die Größen der Zählvorgänge, die während dieser Zeitquadranten auftreten,werden als C., Cp, C5. und C4, bezeichnet. Kir eine Modulationsperiode sind die Zeitintervalle repräsentativ für aufeinanderfolgende 90°~Perioden (oder Quadranten) der Periode. Somit werden im ersten Verarbeitungs-Kanal 30 die ermittelten Gammastrahlen-Zählungen in vier zeitgleichen Quadranten vereinzelt und von einem Zeitpunkt TQ der Modulationsperiode an synchronisiert.
Das UND-Gatter 50 is.t zur Zuführung · der Zähl vorgänge C. und G1. an eine Zähl-Schaltkreis-Logik 51 vorgesehen, die ihrerseits zwischen zu addierenden und zu subtrahierenden Impulsen unterscheidet und die Impulse entweder dem Additions-Eingang oder dem Subtraktions-Eingang einer Zähleinrichtung 52 zuführt. Die Zählvorgänge C. und C2, werden dem Additions-Eingang zugeführt und in der Zähleinrichtung 52 algebraisch summiert. Die Zähl-Schaltkreis-Logik 51 führt die Zählvorgänge Co und C5. den Subtraktions-Eingang der Zählvorrichtung zu, von der sie algebraisch von den Zählvorgängen _ρ*
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ORIGINAL INSECTED
ν JW.
C1 + C4 subtrahiert werden. Somit wird während einer Modulationsperiode der Zähler des rechts neben dem Gleichheitszeichen stehenden Bruches der Gleichung 10 gebildet.
Gleichermaßen wird das UND-Gatter 50 vom Steuergatter 46 konditioniert und eine der vorgenannten Logik analog ausgebildete Zähl-Schaltkreis-Logik 53 übermittelt die Zählvorgänge Gy. und G~ dem Additions-Eingang einer Zähleinrichtung 54, die diese Zählvorgänge summiert. Die Zähl-Schaltkreis-Logik 53 übermittelt ebenfalls die Zählvorgänge C^ und C^ dem Subtraktions-Eingang der Zähleinrichtung 54, die ihrerseits die vorgenannten Zählvorgänge C, und G1, von der Summe der Zählvorgänge G* und Cp algebraisch subtrahiert. Das Resultat ist der Nenner der Gleichung 11. Die Zähleinrichtungen "52 und 54- weisen zugehörige Dekodier-Schaltkreise 55 und 56 auf, die die in den Zähleinrichtungen gespeicherten Zahlen nach Empfang eines Durchgangs-Signals ablesen. Zum Erhalt eines Durchgangs-Signals ist die Ausgangsleitung 45 der Analysiereinrichtung 44 mit einem Skalier-Schaltkreis 57A (sealer circuit) verbunden, der die fi>ynchronisations-Impulse zählen kann. Nach Erhalt einer vorgewählten Anzahl an Zyklen, beaufschlagt der Skalier-Schaltkreis 57 A einen monostabilen Multivibrator 58 A, der seinerseits ein Durchgangs-Signal zu jedem der Dekodier-Schaltkreise 55 "und 56 gibt. Zur gleichen Zeit wirkt der Multivibrator 58 A auf einen Rückstell-Schaltkreis 59 A, der die Zähleinrichtungen 52 und 54 zurückstellt. Jeder der Dekodier-Schaltkreise 55 und 56 ist mit einem Digital/Analog-Schaltkreis 57 und 58
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verbunden, um die Digitalzahl in ein Analogsignal zu wandeln. Die Analogausgänge dieser Schaltkreise 57 und 58 sind mit einem Verhältnisrechner 59 verbunden, der die von den Zähleinrichtungen, abgeleiteten Werte dividiert. Der Ausgang des Verhältnisrechners 59 weist danach die Tangenswerte des Phasenwinkels der Gesamt-Komponente aus umgebenden Bohrloch und Erdformationen auf. Der Tangens des Phasen verschiebungswinkels ist, wie vorangehend schon diskutiert, durch die Gleichung
tan Y= ^Oj1 + 02) _ (C3 + O4; (12)
gegeben. Ein Integrations- und Zeitkonstanten-Schaltkreis 60 empfängt dieses analoge Ausgangssignal und erzeugt seinerseits ein Ausgangssignal für ein Analog-Aufzeichnungsgerät 61. Das Aufzeichnungsgerät 61 kann den Tangens des Phasenwinkels unmittelbar oder nach Umwandlung und die Zerfallszeit L oder den Einfangs-Querschnitts-Wert S aufzeichnen.
Die Ausgangssignäle der Analysiereinrichtung 42 werden über die Leitung 4-3 ebenfalls einer Zähleinrichtung 65 im Verarbeitungs-Eanal 32 zugeführt, der eine Gesamtsumme der Zählvorgänge Gy. bis CL von der Formation und dem Bohrloch akkumuliert. Bei einem zweiten Intervall wird ein Steuerungs-Synchronisations-Impuls im Leiter 66 erzeugt, um eine Durchgangs-Schaltkreiseinrichtung 67 zu schalten, die ihrerseits einen'Dekodier-Schaltkreis 68 ansteuert. Der Dekodier-Schaltkreis 68 liest die Zählvorgangs-Zahlen aus der Zähleinrichtung 65 zum Zeitpunkt des Auftretens des Impulses
- 26 _
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für die Durchgangs-Schaltkreiseinrichtung 67 heraus. Das Ausgangssignal des Dekodier-Schaltkreises 68 wird einem Digital/Analog-Schaltkreis 69 übermittelt, der ein Analogsignal als Funktion der Gammastrahlen-Zählvorgänge erzeugt, das einem Differential-Verstärker 70 zugeführt wird. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Impuls von der Durchgangs-Schaltkreiseinrichtung erzeugt wird, wird von einem Bücksteil-Schaltkreis 71 die Zähleinrichtung 65 wieder in Ausgangsstellung zurückgestellt. Das Ausgangssignal des Digital/ Analog-Schaltkreises 69 ist repräsentativ für die Gesamtgröße der Formations- und Bohrloch-Komponenten (Ej, +
Die thermischen ÜFeutronen-Impulse werden von der Impuls-Vereinzelungs-Einrichtung 40 einem Impuls-Verstärker 48 zugeführt, der seinerseits die Impulse zu einer Analysiereinrichtung 49 weiterleitet. Der Ausgang der Analysiereinrichtung 49 ist mit einem mehreingängigen UND-Gatter verbunden, das in vier gleichen Zeitquadranten, in gleicher Weise wie vorherbeschrieben, die thermischen üeutronen-Zählvorgangs-Größen C^, C2, C, und C^ nacheinander durchläßt.
Die UND-Gatter 72 sind vorgesehen, um die Zählvorgänge, die während der Gy. und CL entsprechenden Zeitquadranten ermittelt wurden, einer Zähl-Schaltkreis-Logik 73 zuzuführen, die ihrerseits diese Zählvorgänge dem Additions-Eingang einer Zähleinrichtung 74 übermittelt. Die Zähleinrichtung 74- summiert die Zählvorgänge C^ und C^ auf.
- 2.7 -
509 825/0818
Ebenfalls werden die Zählvorgänge Cp und G7, zur Zähl-Schaltkreis-Logik 73 geleitet, die diese Zählvorgänge dem Subtraktions-Eingang der Zähleinrichtung 7^ zuführt. Die Zählvorgänge Cp und G7, werden algebraisch in der Zähleinrichtung von den Zählvorgängen Cx- und C1. subtrahiert.
Das TJHD-Gatter 72 ist ebenfalls vorgeselien, um die Zählvorgänge Gy. und Cp einer Zähl-Schaltkreis-Iiogik 75 zuzuführen, die ihrerseits die Zählvorgänge entweder dem Additions- oder dem Subtraktions-Eingang der Zähleinrichtung übermittelt. Die Zähl einrichtung 76 summiert die Zählvorgänge Oy. und Cp, die seinem Additions-Eingang zugeführt werden. Die Zählvorgänge C^ und C^ werden von der Zähl-Schaltkreis-Iiogik 75 dem Subtraktions-Ei ngang der Zähleinrichtung 76 zugeführt, in der die Zählvorgänge C, und G1^ algebraisch von den Zählvorgängen C- und Co subtrahiert werden. Den Zählei ηrichtungen 7^ iuid 7ö sind Dekodier-Schaltkreise 77 und. 78 nachgeschaltet, die nach. Empfang eines Durchgangs-Signals die in den Zahleinriehtungen gespeicherten Zahlen herauslesen. Zur Zuführung dieses Durchgangs-Signals ist die Ausgangsleitung 45 der Analysiereinrichtung 44 mit einem Skalier-Schaltkreis 80 verbunden t der Synchronisaticns-
-■■'.. und
Impulse zählen kann /flach Empfang einer vorgewählten Anzahl von Zyklen einen monostabilen Multivibrator 81A betätigt, der ein Durchgangs-Signal zu jedem der Dekodier-Schaltkreise 77 und 78 weiterleitet. Zur gleichen Zeit betätigt der Multivibrator 81 A einen Eückstell-Schaltkreis 82, der die Zahleinrichtungen 74 und 76 in die Ausgangsstellung zurückstellt.
- 2β -
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Jeder der Dekodier-Schaltkreise 77 und 78 ist mit einem Digital/Analog-Schaltkreis 81 und 82 A verbunden, um die Digitalzahlen in Analog-Signale umzuwandeln. Die Analog-Ausgänge sind mit einem Verhältnis-Rechner 83 verbunden, der die von den Zähleinrichtungen abgeleiteten Werte dividiert. Die Ausgangswerte des Verhältnisrechners entsprechen dann den tan y^-Verten des Phasenwinkels für die Bohrloch-Komponente gemäß Gleichung 11. Ein Integrationsund Zeitkonstanten-Schaltkreis 84 empfängt den Analog-Ausgang und erzeugt ein von einem Aufzeichnungsgerät 85 verarbeitbares Ausgangs-Signal.
Die Ausgangs-Signale der Analysier einrichtung 4-9 werden weiterhin über eine Leitung dem Verarbeitungs-Kanal 33 zugeführt, der eine Zähleinrichtung 90 aufweist, die die Gesamtzahl der Zählvorgänge des thermischen Neutronen-Detektors akkumuliert. Zu einem zweiten Intervall wirdin dem Leiter 66 ein Synchronisations-Imipuls erzeugt, der eine Durchgangs-Schalteinrichtung 92 betätigt, die ihrerseits einen Dekodier-Schaltkreis 91 "betätigt. Der Dekodier-Schaltkreis 91 liest zum Zeitpumkt des Auftretens des Durchgangs-Impulses den Zahlenwearfc aus der Zähleinrichtung 90. Der Ausgang des Dekodier-Schaltkreises 91 ist mit einem Digital/Analog-Schaltkireis °A verbunden, der ein analoges Ausgängs-Signal als Funktion der thermischen Neutronen-Zählvorgänge einem JLcalog-Vervielf acher 95 zuleitet. Der Vervielfacher weist einen Adjustier-
Schaltkreis 96 auf, der eine Vervielfscher-Funktion erzeugt. _ 29 _
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-.29-
Der Ausgang des Vervielfachers 95 ist über eine Leitung 97 mit dem Differential-Verstärker 70 und mit einem"Analog-Verhältnisrechner 98 verbunden. Der Differential-Verstärker 70 kombiniert die "!funktionen von R^ + R™ vom Digital/Analog-Schältkreis 69 und R-g vom Vervielfacher 95 und erzeugt eine Rp-Funktion. Der Verhältnisrechner 98 ermittelt das Verhältnis von R-ß/R-n und übermittelt den Quotienten zu einem Aufzeichnungsgerät 99.
Der Ausgang des Integrations-Schaltkreises 6 0 ist für den Wert tan*/und der Ausgang des Integrations-Schaltkreises 84
ist für den Wert tan /■□ repräsentativ. Diese beiden Ausgangswerden
Signale/in einem Differential-Verstärker 86 kombiniert, um ein der Differenz der Werte tan*/- tanV^ repräsentatives Ausgangs-Signal zu entwickeln. Dieses Ausgangs-Signal wird von einem Aufzeichnungsgerät 87 aufgezeichnet.'
Der Wert für den . tan j ^,
tan f' = tanf + *ß- (tanf - tan f-J (13)
wird durch Zusammenfassung des R-g/R^-Signals vom Verhältnisrechner 98 mit dem (tan.If- tan fB)-Wert des Differential-Verstärkers in einem Vervielfacher 88 bestimmt. Der Ausgang.-des Vervielfachers 88 wird mit dem Ausgang des Integrations-Schaltkreises 60 in einer Addier-Schaltung 89 addiert. Das daraus resultierende Ausgangs-Signal tan 7-™ wird einem Aufzeichnungsgerät 89 A zugeführt.
In Pig. 6 sind in detaillierterer Form das Steuergatter 4-6,
_ 3O-
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das UND-Gatter 50 und die Zähl-Schaltkreis-Logik 51 und und die Zähleinrichtungen und Dekodier-Schaltkreise dargestellt. Aus dieser Teil-Darstellung wird der Aufbau ähnlicher Schaltkreise in ähnlichen Kanälen leicht verständlich. Ein Synchronisations-Signal 100 (siehe Jig. 7) wird jedem der vier Steuergatter 46 (A,B,C,D) zugeführt, die nacheinander einen Steuerimpuls 101, 102, 103 und 104 für jede 90° der Neutronen-Modulatations-Periode (Kurve N) erzeugen. Die Steuerimpulse werden den UND-Gattern 50 (A,B,C,D) zugeführt. Das Auftreten der Steuerimpulse 101 bis 104 bringt . nacheinander die UND-Gatter 50 (A bis D) in Arbeitsstellung zur Durchleitung der Zählvorgänge, die während Zeitintervällen auftreten, zu den Zähl-Schaltkreis-Logiken 51 und 53- -Die Zähl-Schaltkreis-Logiken 51 "und 53 sind als ODER-Gatter ausgebildet. Die Zähl-Schaltkreis-Logik 51 A ist mit dem Additions-Eingang (U) und die Schaltkreis-Logik 51 B ist mit dem Subtrafctions-Eingang (D) der Zähleinrichtung 52 verbunden. Der Additions-Eingang (U) der Zähleinrichtung 54 ist mit der Schaltkreis-Logik 53 A und der Subtraktions-Eingang (D) der Zähleinrichtung 54· ist mit der Schaltkreis-Logik 53 B verbunden. Das UND-Gatter
50 A ist mit den Schaltkreis-Logiken 51 A und 55 A verbunden. Das UND-Gatter 50 B ist mit den Schaltkreis-Logiken
51 B und 53 A verbunden. Das UND-Gatter 50 C ist mit den Schaltkreis-Logiken 51 B und 53 B verbunden. Das UND-Gatter 50 D ist mit den Schaltkreis-Logiken 51 "A und 53 B verbunden. "Somit übermittelt die Zähl-Schaltkreis-Logik 51 A zu addierende Zählvorgänge CL oder O^ der Zählein-
- 31 -
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- 3ΐ· -
richtung 52; die Zähl-Schaltkreis-Iiogik 51 B zu subtra-'hierenden Zählvorgänge G~ oder CL der Zahleiihrichtung 52; die Zähl-Schaltkreis-logik 55 A zu addierenden Zähl vorgänge C^ oder C5 der Zahl-Einrichtung 54, und die Zähl-Schaltkreis-Logik 53 B zu subtrahierenden Zählvorgänge C7. oder C^ der Zähleinrichtung 54.
Die Zähleinrichtungen 52 und 54 sind jeweils mit Vierfach-Sperren- und Dekodier-Schaltkreisen 55 und 56 verbunden. Erhalten die Dekodier-Schaltkreise 33 "und 56 einen Durchgangs-Impuls, werden von den Dekodierern die Zählvorgänge aus den entsprechenden Zähleinrichtungen herausgelesen und die Zähleinrichtungen durch einen Eückstell-Impuls in ihre Ausgangsstellung zurückgestellt. Die Durchgangs-Impuise werden in bezug zu den Synchronisations-Impulsen erzeugt. Die von der Analysiereinrichtning 44 kommenden Synchronisations-Impulse werden einem Skalier-Schaltkreis 57 -A- zugeführt, der die Synchronisations-Impulse zählt. Ein Skalier-Schalter 57 B bestimmt die Anzahl der Zyklen oder Synchronisations-Impulse, die für einen Durchgangs-Impuls benötigt werden. Der Skalier-Schalter 37 B ist mit einem mono stabilen Multivibrator 58 A verbunden, der einen Durchgangs-Impuls für jeden der Dekodier-Schaltkreise 55 und 56 erzeugt und einen Eückstell-Sciialtkreis 59 A steuert, der einen Eückstell-Impuls den Zähleinrichtungen 52 und auführt.
-3.2-
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Claims (15)

  1. ο Τ 71 041 D
    Patentansprüche
    ' 1)JVerfahren zur Ermittlung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen mittels Neutronenbeschuß der Bohrlochumgebung durch Bestimmung von Erdformations-Parameter als Funktion der Bohrlochteufe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßsonde durch das Bohrloch verfahren wird, in der sich die Einrichtungen zur Messung der gewünschten Parameter befinden, daß kontinuierlich hochenergetische neutronen in der Meßsonde erzeugt werden, mit denen die umgebenden Medien zur Entwicklung ther-
    dabei
    mischer Neutronen bombardiert werden, daß/die Intensität der hochenergetischen Neutronen einer harmonischen Modulation untersagen ■■ wird, daß kontinuierlich die thermischen Neutronen der umgebenden Medien ermittelt werden und daß elektrische Signale als Punktion dieser thermischen Neutronen entwickelt werden.
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß elektrische Synchronisations-Signale für jede Modulationsperiode der höchenergetischen Neutronen entwickelt werden und daß die Synchronisations-Signale und die Signale der ermittelten thermischen Neutronen zur Bestimmung der Zeitverschie-
    509825/0818
    - 53 -
    bungs-Beziehung zwischen den beiden vorgenannten Signalen kombiniert werden.
  3. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die thermischen Neutronen-Signale jeder Periode des Ausstoßes hochenergetischer Neutronen in vier Zeitquadranten vereinzelt werden und daß die in den vier Zeitquadranten ermittelten Signale in Phasenwinkel-Messungen der thermischen Neutronen-Signale in bezug zu den hochenergetischen Neutronen umgewandelt vrerden.
  4. 4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Phasenwinkel-Messung ein der thermischen Zerfallszeit repräsentatives elektrisches Signal abgeleitet wird.
  5. 5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennz eichnet , daß bei der kontinuierlichen Ermittlung der Signale eine Bahrloch-Komponente und eine Komponente der umgebenden Medien der thermischen Neutronen getrennt voneinander ermittelt wenden und daß bei der Entwicklung der elektrischen Signale ein erstes und zweites elektrisches Signal als Funktion der Phasenwinkeldifferenz zwischen
    den ermittelten thermischen Neutronen in bezug zu den modulierten hochenergetischen Neutronen entwickelt wird.
    509825/0818
  6. 6) Verfahren nach einem der vorhergehenden-.Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Bohrloch-Komponente der thermischen Neutronen von der Komponente der umgebenden Medien zur Ablei-' tung einer thermischen Neutronen-Komponente, die den Formations-Materialien in den umgebenden Medien entspricht, subtrahiert wird.
  7. 7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß de Formations-Komponente der thermischen Neutronen in einen der Zerfallszeit der Formations-Materialien repräsentativen Wert umgewandelt wird.
  8. 8) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Formations-Komponente der thermischen Neutronen in Einfangsquerschnitts-Werte für die Formations-Materialien umgewandelt wird.
  9. 9) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch eine durch ein Bohrloch (10) verfahrbare Meßsonde (12), durch eine Quelle (12 B) zur Aussendung hochenergetischer Neutronen in die" umgebenden Medien, durch eine Einrichtung (20 bis 25) zur Modulation der.Intensität der hochenergetischen Neutronen gemäß einer sinusförmigen Funktion, durch die Detektoren (12 D, 12 E)
    509825/0818
    innerhalb der Meßsonde (12) zur Ermittlung der aus der Aussendung der hochenergetischen Neutronen in die umgebenden Medien her resultierenden thermischen Neutronen und durch eine Einrichtung ^ , '" zur Bestimmung des Phasenwinkels der ermittelten thermischen Neutronen der Formation in bezug zu den modulierten hochenergetischen Neutronen.
  10. 10) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
    gekennzeichnet , daß die Detektorei(i2 Β_$ eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Signale aufweisen ,die repräsentativ für den Zählvorgang der thermischen Neutronen als Funktion der Zeit sind, daß die Einrichtung (20 bis 25) zur Modulation der Intensität einen elektrischen S^chronisations-Impuls
    winkelfür jede Modulationsperiode erzeugt und daß die Phasen-Einrichtung Verarbeitungs-Kanäle (30,31»32,33) zur Verarbeitung der elektrischen Signale, zur Zählung der thermischen Neutronen in Zeitquadranten für jede Modulationsperiode in bezug auf den Synchronisations-Impuls und zur Ermittlung des Phasenwinkels aus dem Zählvorgang der thermischen Neutronen, aufweist.
  11. 11) Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Detektor (12 D) für die Ermittlung der von der unmittelbaren Bohrloch-Umgebung her resultierenden thermischen Neutronen und zur Erzeugung eines elektrischen Signals vorgesehen ist,
    5 09825/0818
    das repräsentativ für die thermischen Neutronen im Bohrloch-Fluid als Funktion der Zeit ist.
  12. 12) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 "bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (12 E) eine zweite Einrichtung zur Verarbeitung der elektrischen Signale, die repräsentativ für die thermischen Neutronen des Gesamtbohrloches (Formation und· unmittelbare Bohrlochumgebung) sind, zur. Zählung der thermischen Neutronen des Gesamtbohrloches in Zeitquadranten für jede Modulationsperiode in bezug zum Synchronisations-Impuls und zur Ermittlung des Phasenwinkels aus den thermischen Neutronen des Gesamtbohrloches aufweist.
  13. 13) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durchführen der Meßsonde (12) durch das Bohrloch (10) ein Meßkabel (13) und ein Aufzeichnungsgerät zur Aufzeichnung des Phasenwinkels als Funktion der Bohrlochteufe der Meßsonde (12) innerhalb des Bohrloches (13) vorgesehen ist.
  14. 14)Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13» dadurch gekennzeichnet, • daß eine Einrichtung zum Subtrahieren des Phasenwinkels (^6) der Bohrloch-Komponente der thermischen
    . - 37 -
    5 0 9 8 2 5/0818
    Neutronen vom Phasenwinkel (f) des Gesamtbohrloches der thermischen Neutronen zur Definierung - . ■ ■ ' des Phasenwinkels der Formation und eines
    elektrischen Signals, das repräsentativ für die /
    Zerfallszeit als Funktion der Bohrlochteufe der Meßsonde (12) im Bohrloch (13) ist.
  15. 15) "Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 "bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Verarbeitung der elektrischen Signale der thermischen Neutronen als Funktion der Zeit zur Ableitung einer ersten Wertgröße und eine Einrichtung zur Bestimmung einer zweiten Vertgröße als Funktion der Zeit und repräsentativ für die Bohrloch-Einwirkungen vorgesehen ist und daß eine Einrichtung zur Ableitung eines Verhältnisses zwischen der ersten Wertgröße und der zweiten Wertgröße vorgesehen ist.
    50982 5/08 18
    3*
    Leer seife
DE19742459303 1973-12-17 1974-12-14 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der von einem bohrloch durchteuften erdformationen mittels neutronenbeschuss der bohrlochumgebung Pending DE2459303A1 (de)

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