DE2503753C2

DE2503753C2 -

Info

Publication number: DE2503753C2
Application number: DE2503753A
Authority: DE
Inventors: Charles Louis Country Creek Tex. Us Dennis; Wyatt Wendell Dallas Tex. Us Givens; John Birdich Grand Prairie Tex. Us Hickman
Original assignee: Mobil Oil Corp
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Priority date: 1974-02-15
Filing date: 1975-01-30
Publication date: 1989-01-19
Also published as: GB1466031A; CA1010580A; NO744191L; US3940610A; DK634974A; NL179419B; NL179419C; NO142596C; NO142596B; NL7500947A; DE2503753A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Beträge der natürlichen Gammastrahlungen von Kalium, Uran und Thorium in den ein Bohrloch umgebenden Erdformationen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 28 97 368 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der natürlichen Gammastrahlungen bestimmter Elemente bekannt, z. B. der Elemente Thorium, Kalium und Radium. Mit Hilfe eines Gammastrahlendetektors werden die auf den Detektor einwirkenden Gammastrahlen in elektrische Signale verwandelt und mit Hilfe eines Impulshöhen-Analysators in unterschiedliche Energiebänder separiert. Die Ausgangssignale des Impulshöhen-Analysators werden auf Skaliervorrichtungen gegeben, mit deren Hilfe die jeweiligen Ausgangssignale des Analysators aufgezeichnet werden. Nach Maßgabe des Strahlungs-Energiepegels lassen sich spezielle radioaktive Elemente auswählen, weil diese unterschiedliche Kennlinien besitzen.

Um nun z. B. die Nebenwirkung von Kalium in anderen separierten Energiesignalen weitestgehend auszuschalten, wird die Empfindlichkeit des Analysators so eingestellt, daß sie oberhalb von 1,5 MeV liegt. In ähnlicher Weise läßt sich die Auswirkung von Thorium dadurch beseitigen, daß man ein Energieband um 1,47 MeV auswählt. Allerdings wird kein Versuch unternommen, die Anteile unterschiedlicher radioaktiver Elemente auf die Zählraten der unterschiedlichen Energiepegel zu separieren. Wenn beispielsweise bei dem bekannten Gerät der Diskriminator auf 1,47 MeV eingestellt wird, enthält das durch den Diskriminator gewonnene Ausgangssignal nicht nur die Anteile aus Kalium, sondern darüber hinaus auch Anteile von Uran oder Thorium. Stellt man den Diskriminator zum Feststellen von Uran mit geringer Vorspannung auf 1,5 MeV und hoher Vorspannung auf 2,0 MeV ein, enthielte das gewonnene Ausgangssignal Anteile sowohl aus Uran als auch aus Thorium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Träger der natürlichen Gammastrahlungen von Kalium, Uran und Thorium zu schaffen, bei der die Energiebandsignale für ein bestimmtes Element weitestgehend befreit sind von Anteilen der Energiebandsignale der anderen Elemente.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Betrachtet man die Zählrate der einzelnen Elemente als Funktion der Gammastrahlenenergie, so ergibt sich für die drei Elemente jeweils eine Kurve,und die drei Kurven überlappen sich teilweise. Betrachtet man ein bestimmtes Energieband, z. B. dort, wo die Zählrate für Kalium ein ausgeprägtes Maximum hat, so zeigt sich, daß an der betreffenden Energieband-Stelle auch Strahlungsenergie von Uran und von Thorium vorhanden ist.

Die Erfindung geht nun von dieser Situation aus und eliminiert, wenn man z. B. die Stärke der natürlichen Gammastrahlung von Kalium bestimmen will, die Strahlungs-Störanteile von Thorium und Kalium. Dies geschieht mit Hilfe der veränderlichen Widerstände, die so eingestellt werden, daß der Energieanteil des nicht-betrachteten Elements im Ausgangssignal zu Null gemacht wird. Als Endergebnis erhält man als Ausgangssignale für die drei Elemente Kalium, Uran und Thorium aussagekräftige Signale, die frei von Störanteilen der Strahlung anderer Elemente sind.

Die US-PS 25 62 968 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der natürlichen Gammastrahlung bestimmter Elemente, wobei zur Ausschaltung störender Hintergrund-Gammastrahlung, z. B. störender kosmischer Gammastrahlung, zwei Strahlungsdetektoren verwendet werden, wobei der eine Detektor mit einem Bleischirm ausgestattet ist, der dem zugehörigen Detektor lediglich die Messung von Hintergrundstrahlung gestattet. Durch Subtrahieren der beiden Detektor-Ausgangssignale erhält man dann ein vom Einfluß der Hintergrundstrahlung bereinigtes Signal. Allerdings wird bei dieser Vorrichtung der störende Einfluß anderer Elemente im zu messenden Bereich überhaupt nicht berücksichtigt.

Die US-PS 31 05 149 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur Bestimmung der natürlichen Gammastrahlung mit Energie- Diskriminatoren für unterschiedliche Energiebänder. Beispielsweise liefern zwei Diskriminatoren auf unterschiedlichen Meßkanälen Gammastrahlungs-Intensitätswerte in zwei vorbestimmten Energiebändern A und B. Das Band A repräsentiert das Energieband, in welchem die Thorium-Strahlung ihre Spitzenintensität erreicht, während das Band B das Energieband ist, in welchem die Uran-Strahlung den Spitzenwert erreicht. Allerdings enthält der gesamte, integrierte Zählwert in jedem Band einen Anteil sowohl für Thorium als auch für Uran. Es erfolgt keine Separierung der Thorium- und der Urananteile. Mit Hilfe eines Differential-Galvanometers wird eine Quasi-Subtraktion durchgeführt, mit der Folge, daß das Ausgangs-Signal des Galvanometers mit der Impulszahl in dem einen Energieband verstärkt und mit der Impulszahl in dem anderen Energieband abgeschwächt wird. Demzufolge liegen die beiden Signale der Gammastrahlungsquellen gleichzeitig vor, wobei die Ergebnis-Kurve (Fig. 3 der Druckschrift) lediglich angibt, welche der beiden Gammastrahlungsquellen stärker präsent ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße, die natürliche Gammastrahlung messende Bohrloch-Vermessungsvorrichtung,

Fig. 2 die Energiebänder, in welchen die natürliche Gammastrahlung der radioaktiven Elemente, die mit der Vorrichtung der Fig. 1 gemessen werden sollen, Spitzenintensitäten aufweisen, und

Fig. 3 und 4 detaillierte schematische Darstellungen der Bereinigungseinheit der Bohrloch-Vermessungsvorrichtung der Fig. 1.

In Fig. 1 mißt eine Bohrloch-Vermessungssonde 5 die natürliche Gammastrahlung, die durch eine unterirdische Formation 6 ausgestrahlt wird. Die Bohrlochvermessungssonde 5 umfaßt einen Gammastrahlendetektor 7 und einen Verstärker 8. Der Gammastrahlendetektor 7 umfaßt vorzugsweise einen Szintillationsdetektor 10 (beispielsweise einen mit Thallium aktivierten Natriumiodid-Kristall), der mit einer Fotoelektronen-Vervielfacherröhre 11 zusammenwirkt, um die natürliche Gammastrahlung festzustellen. Das Natriumiodid gibt Photonen genannte Lichtenergiequanten ab, deren Intensität proportional zur Energie der Gammastrahlenwechselwirkung im Natriumiodid-Kristall ist. Die Fotoelektronen-Vervielfacherröhre erzeugt auf diese Photonen hin eine Folge von Impulsen mit Größen, die der Gammastrahlenenergie proportional sind. Diese Impulse werden über den Verstärker 8 und ein Meßkabel 9 zum Lochausgang gesendet und mittels Energiebandselektoren 13-15 in drei separate Energiebänder aufgeteilt. Der Selektor 13 umfaßt einen Diskriminator 16, der ein Energieband hindurchläßt, dessen Mitte bei etwa 1,46 MeV liegt, dem Energiepegel, bei welchem Kalium eine Spitzenintensität aufweist, wie dem Spektrogramm der Fig. 2 zu entnehmen ist. Der Selektor 14 umfaßt einen Diskriminator 17, der ein Energieband durchläßt, dessen Mitte bei etwa 1,76 MeV liegt, einem Energiewert, bei welchem Uran eine Spitzenintensität aufweist. In gleicher Weise umfaßt der Selektor 15 einen Diskriminator 17, der ein Energieband durchläßt, dessen Mitte bei etwa 2,62 MeV liegt, einem Energiewert, bei welchem Thorium eine Spitzenintensität aufweist. Die Impulse innerhalb eines jeden dieser separaten Energiebänder werden auf getrennte Zählratenmesser 19- 21 gegeben, die Ausgangssignale K _M, U _M und Th _M mit Größen erzeugen, die auf die Photonenzahl innerhalb eines jeden entsprechenden Energiebandes hinweisen.

Wegen der reichlich vorhandenen Streustrahlung niedrigerer Energie und der Zunahme der Einfangauflösung eines Natriumiodid-Szintillationskristalls mit abnehmender Energie beeinflussen jedoch die radioaktiven Elemente höherer Energie die Messungen der radioaktiven Elemente niedrigerer Energie. Demzufolge stellen die Ausgangssignale K _M und U _M nicht nur die an Ort und Stelle gemessene natürliche Gammastrahlung von Kalium und Uran dar. Beispielsweise ist der in Fig. 2 ersichtliche Anteil sowohl von Uran als auch von Thorium im ausgewählten Energieband für Kalium, dessen Mitte bei etwa 1,46 MeV liegt, kennzeichnend. Folglich ist die Beziehung zwischen dem korrekten Wert K _C des Kaliumanteils und dem gemessenen Wert K _M

K _c = K _M - R₁U _C - R₂Th _C (1)

Dabei bedeuten:

R₁= Anteil an der Zählrate im ausgewählten Kaliumenergieband, der dem korrekten Uranwert U _C zuzuschreiben ist, ausgedrückt als Bruchteil der Zählungen im ausgewählten Uranenergieband, und R₂= den Anteil zur Zählrate im ausgewählten Kaliumenergieband, der dem korrekten Thoriumwert Th _C zuzuschreiben ist, ausgedrückt als Bruchteil der Zählungen im ausgewählten Thoriumenergieband.

Des weiteren ist der Kaliumanteil im ausgewählten Energieband für Uran, dessen Mitte bei etwa 1,76 MeV liegt, vernachlässigbar, wogegen der Thoriumanteil signifikant ist. Die Gleichung, welche die Beziehung zwischen dem korrekten Wert U _C des Urananteils und dem gemessenen Wert U _M angibt, ist demzufolge:

U _C = U _M - R₃Th _C (2)

Dabei bedeutet:
R₃= Anteil an der Zählrate im ausgewählten Uranenergieband, der dem korrekten Thoriumwert Th _C zuzuschreiben ist, ausgedrückt als Bruchteil der Zählungen im ausgewählten Thoriumenergieband.

Der Anteil sowohl von Kalium als auch Uran im ausgewählten Thoriumenergieband, dessen Mitte bei etwa 2,62 MeV liegt, ist vernachlässigbar. Deshalb besteht zwischen dem korrekten Wert des Thoriumanteils Th _C und dem gemessenen Wert des Thoriumanteils Th _M die Gleichung:

Th _C = Th _M (3)

Diese Anteile R₁, R₂ und R₃ werden im allgemeinen als "Bereinigungskonstanten" bezeichnet, und mit der vorliegenden Erfindung sollen sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zur Beeinflussung dieser gemessenen Werte K _M und U _M entsprechend den Werten dieser Bereinigungskonstanten verfügbar gemacht werden, um korrigierte Werte K _C und U _C zu erhalten. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird diese Beeinflussung mittels einer Bereinigungseinheit 22 ausgeführt, die, wie unten beschrieben werden wird, die korrigierten Ausgangssignale K _C, U _C und Th _C erzeugt. Diese korrigierten Ausgangssignale können dann als drei separate Darstellungen auf einem herkömmlichen X-Y-Koordinatenschreiber 23 aufgezeichnet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 soll nun die Bereinigungseinheit 22 ausführlich beschrieben werden. Diese Bereinigungseinheit 22 weist drei Analysatorkanäle auf: Einen Kalium-, einen Uran- und einen Thoriumkanal. Der Thoriumkanal umfaßt einen Pufferverstärker 30, auf welchen das Th _M-Signal gegeben wird. Da die Thoriummessung keine Bereinigung benötigt, gelangt das Th _M-Signal entsprechend der Behandlung nach (3) als Th _C-Signal durch den Pufferverstärker 30.

Der Urankanal umfaßt einen Pufferverstärker 32, welchem das U _M- Signal zugeführt wird. Nachdem es durch den Verstärker 32 gelangt ist, wird das U _M-Signal auf den positiven Eingang eines Ausgangsverstärkers 33 gegeben. Über einen variablen Widerstand 40 wird das Th _C-Signal vom Thoriumkanal dem negativen Eingang des Verstärkers 33 zugeführt. Der Verstärker 33 bildet die Differenz zwischen diesen Eingängen und erzeugt das Ausgangssignal U _C, welches die Uranmessung darstellt, die gemäß Gleichung (2) vom Thoriumeinfluß bereinigt ist.

Der Kaliumkanal umfaßt einen Pufferverstärker 34, welchem das K _M-Signal zugeführt wird. Nachdem es durch den Verstärker 34 gelangt ist, wird das K _M-Signal auf den positiven Eingang eines Ausgangsverstärkers 35 gegeben. Über einen variablen Widerstand 42 wird das Th _C-Signal vom Thoriumkanal auf den negativen Eingang gegeben. Ebenfalls auf den negativen Eingang wird das U _C- Signal vom Urankanal gegeben, und zwar über einen variablen Widerstand 41. Der Verstärker 35 bildet die Differenz zwischen diesen Eingängen und erzeugt das Ausgangssignal K _C, welches diejenige Kaliummessung darstellt, die gemäß Gleichung (1) sowohl vom Thorium- als auch vom Uraneinfluß bereinigt ist.

Die speziellen Einstellungen der variablen Widerstände 40-42 zu dem Zweck, den Uran- und den Kaliumkanal die Beeinflussung gemäß Gleichungen (1) und (2) vornehmen zu lassen, wenn der Bereinigungseinheit während der Vermessungsvorgänge Radioaktivitätsmessungen von einer Bohrloch-Vermessungssonde zugeführt werden, werden folgendermaßen durchgeführt. Die Bohrloch-Vermessungssonde wird, bevor sie in das Bohrloch abgesenkt wird, zuerst einer Thorium-Gammastrahlenquelle ausgesetzt. Dieser Radioaktivitätswert gelangt, nachdem er mittels Kristall 10, Fotoelektronen-Vervielfacherröhre 11 und Verstärker 12 festgestellt und verstärkt worden ist, durch die drei Energiebandselektoren 13-15, um das K _M-, U _M- und Th _M-Eingangssignal für die Bereinigungseinheit 22 bereitzustellen. Das Th _C-Ausgangssignal des Thoriumkanals der Bereinigungseinheit stellt die wirkliche Thorium-Radioaktivität dar. Das U _M-Signal des Urankanals wird dann von demjenigen Einfluß bereinigt, der in dem ausgewählten Energieband des U-Diskriminators 14 von der Thoriumquelle ausgeht, und zwar dadurch, daß der variable Widerstand 40 so eingestellt wird, daß der Urankanal ein U _C- Ausgangssignal null erzeugt. Das K _M-Signal des Kaliumkanals wird ebenfalls von demjenigen Einfluß bereinigt, den die Thoriumquelle im ausgewählten Energieband des K-Diskriminators 13 ausübt, und zwar dadurch, daß der variable Widerstand 42 so eingestellt wird, daß der Kaliumkanal ein K _C-Ausgangssignal null hervorbringt.

Darauf wird die Thorium-Gammastrahlenquelle entfernt, und die Bohrloch-Vermessungssonde wird als nächstes einer Uran- Gammastrahlenquelle ausgesetzt. Bei Einwirkung dieser Quelle ist das Th _C-Ausgangssignal null und das U _C-Ausgangssignal stellt die wirkliche Uran-Radioaktivität dar. Das K _M-Signal des Kaliumkanals wird dann bereinigt von demjenigen Einfluß, den die Uranquelle im ausgewählten Energieband des K-Diskriminators 13 ausübt, und zwar dadurch, daß der variable Widerstand 41 so eingestellt wird, daß der Kaliumkanal ein K _C- Ausgangssignal null hervorbringt.

Um die Genauigkeit der Einstellungen der Widerstände 40-42 zu messen, kann die Bohrloch-Vermessungssonde anschließend einer Kalium-Gammastrahlenquelle ausgesetzt werden. Unter dieser Bedingung sollten sowohl das Th _C- als auch das U _C-Ausgangssignal null sein, und das K _C-Ausgangssignal sollte den richtigen Wert der Kaliumradioaktivität darstellen. Die Bereinigungseinheit 22 ist nun geeicht und bereit, als Teil der oben beschriebenen Bohrloch-Vermessungsvorrichtung in einem Radioaktivitätsmeßsystem verwendet zu werden.

Obige erfindungsgemäße Ausführungsform stellt ein Beispiel einer Vorrichtung dar, die sich dazu eignet, den Kalium-, Uran- und Thoriumgehalt von Erdformationen mittels eines Gammastrahlendetektors, wie eines Natriumiodid-Szintillationskristalls, zu messen, dessen Einfang-Auflösung im Hinblick darauf genügend groß ist, daß die Energiemessung eines bestimmten radioaktiven Elementes nicht durch andere radioaktive Elemente beeinflußt wird. Um jedoch die Empfindlichkeit eines solchen Gamma- Strahlendetektors zu vergrößern, ist es notwendig, die Größe des Natriumiodidkristalls zu erhöhen, was wiederum die Einfang-Auflösung vergrößert und bewirkt, daß das Uranelement die Messung des Thoriumelementes beeinflußt. Mit der vorliegenden Erfindung soll deshalb zusätzlich eine Vorrichtung verfügbar gemacht werden, um die Thoriummessung vom Uraneinfluß zu bereinigen, wie folgt:

Th _C′ = Th _C - R₄U _C (4)

Dabei bedeutet:

R₄= Anteil an der Zählrate im ausgewählten Thoriumenergieband, der dem korrekten Uranwert U _C zuzuschreiben ist, ausgedrückt als Bruchteil der Zählungen im ausgewählten Uranenergieband.

Fig. 4 stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsart zur Durchführung der Beeinflussung gemäß Gleichung (4) dar. Das Th _C-Signal vom Pufferverstärker 30 wird auf den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 31 gegeben. Auf den negativen Eingang des Verstärkers 31 wird über einen variablen Widerstand 43 das U _C-Signal vom Urankanal geführt. Der Verstärker 31 bildet die Differenz zwischen diesen Eingängen und erzeugt das Ausgangssignal Th _C′, welches die Thoriummessung darstellt, die gemäß Gleichung (4) vom Uraneinfluß bereinigt ist.

Auf gleiche Weise wie bei der Einstellung der variablen Widerstände 40-42 im Kalium- und im Urankanal wird der variable Widerstand 43 eingestellt, um den Einfluß des Urans im Thoriumkanal auszuschalten. Dies geschieht dadurch, daß die Bohrloch-Vermessungssonde einer Uran-Gammastrahlenquelle ausgesetzt und der variable Widerstand 43 so eingestellt wird, daß der Thoriumkanal ein Th _C′-Ausgangssignal null erzeugt.

Die Bereinigungseinheit 22 ist gemäß der Arbeitsweise der Verstärker 30-35 und der variablen Widerstände 40-43 der Fig. 3 und 4 beschrieben worden. Die restlichen Komponenten der Bereinigungsschaltung 22 schaffen die erforderlichen Vorspannungsbedingungen für deren Betrieb. Es versteht sich von selbst, daß die einzelnen Komponenten einer solchen Bohrloch-Vermessungsvorrichtung einschließlich der Bereinigungseinheit 22 lediglich für eine Ausführungsform der Erfindung gelten. Gemäß einer solchen Ausführungsform sind im folgenden spezielle Komponententypen und Komponentenwerte angegeben.

BezugskennzeichnungBeschreibung

Fotoelektronen-Vervielfacher 11EMI 9727B (Gemcon, Abt. von Emitronics) Diskriminatoren 16-18Modell 1431 (Canberra) Zählratenmesser 19-21Modell 1481 (Canberra) Operationsverstärker 30-353307 (Burr-Brown) Variable Widerstände 40-425 Kohm Variabler Widerstand 4320 Kohm Variable Widerstände 44-49500 Ohm Widerstand 5051 Kohm Widerstand 5191 Kohm Widerstände 52-561 Meg Ohm alle anderen Widerstände100 Kohm V _A+15 V Gleichspannung

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Beträge der natürlichen Gammastrahlungen von Kalium, Uran und Thorium in den ein Bohrloch umgebenden Erdformationen, mit einem Gammastrahlendetektor (5), der ein die gesamte natürliche Gammastrahlung im Bohrloch darstellendes Ausgangssignal erzeugt, und drei Energiebandselektoren (13,14, 15), die das Ausgangssignal des Gammastrahlendetektors in Kalium-, Uran- und Thorium-Energiebandsignale aufteilen, deren Mitten je etwa bei den Energiewerten liegen, bei welchen Kalium, Uran und Thorium Gammastrahlungsspitzenwerte aufweisen, gekennzeichnet durch

(a) einen ersten Differentialverstärker (33), der mit seinem ersten Eingang an den Uran-Energiebandselektor (14) und mit seinem zweiten Eingang über einen ersten veränderlichen Widerstand (40) an den Thorium-Energiebandselektor (15) angeschlossen ist, wobei der erste veränderliche Widerstand (40) das Thorium- Energiebandsignal auf einen Betrag reduziert, der dem Beitrag des Signals in dem Uran-Energieband entspricht, und der erste Differentialverstärker (33) ein Ausgangssignal erzeugt, welches die Differenz zwischen dem Uran-Energiebandsignal und dem reduzierten Thorium-Energiebandsignal darstellt, und
(b) einen zweiten Differentialverstärker (35), der mit seinem ersten Eingang an den Kalium-Energiebandselektor (13) und über einen zweiten veränderlichen Widerstand (42) an den Thorium-Energiebandselektor (14) sowie über einen dritten veränderlichen Widerstand (41) an den Uran-Energiebandselektor (15) angeschlossen ist, wobei der zweite veränderliche Widerstand (42) das Thorium-Energiebandsignal auf einen Wert reduziert, der dem Anteil des Signals in dem Kalium-Energieband gleicht, der dritte veränderliche Widerstand (41) das Uran-Energiebandsignal auf einen Wert reduziert, der dem Beitrag des Signals in dem Kalium-Energieband gleicht, und der zweite Differentialverstärker (35) ein Ausgangssignal erzeugt, welches der Differenz zwischen dem Kalium- Energiebandsignal und der Summe des reduzierten Uran- und des reduzierten Thorium-Energiebandsignals entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Differentialverstärker (31), der mit seinem ersten Eingang an den Thorium-Energiebandselektor (15) und seinem zweiten Eingang über einen vierten veränderlichen Widerstand (43) an den Uran-Energiebandselektor (14) angeschlossen ist, wobei der vierte veränderliche Widerstand (43) das Uran-Energiebandsignal auf einen Wert reduziert, der dem Beitrag des Signals an dem Thorium- Energieband entspricht, und der dritte Differentialverstärker (31) ein Ausgangssignal erzeugt, welches die Differenz zwischen dem Thorium-Energiebandsignal und dem reduzierten Uran-Energiebandsignal entspricht.