DE2519788A1

DE2519788A1 - Verfahren zur direkten bestimmung von kohlenwasserstoff fuehrenden formationen, die von einem bohrloch durchteuft sind, mittels gepulster neutronen

Info

Publication number: DE2519788A1
Application number: DE19752519788
Authority: DE
Inventors: Harold Elmer Peelman
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1975-05-03
Publication date: 1975-11-20
Also published as: NO751595L; AU8025575A; DK197475A; DE2519788C3; CA1041676A; DE2519788B2; GB1500946A; US3928762A

Description

Patentassessor Hamburg, den 30.4.197^£

Dr. Gerhard Schupfner 770/ik 251978c

Deutsche Texaco AG

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180 T 75 008(D 72,724-F )

EEXAOO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 U.S.A.

Verfahren zur direkten Bestimmung von Kohlenwasserstoff führenden Formationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, mittels gepulster Neutronen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Bestimmung von Kohlenwasserstoff führenden Formationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind, mittels gepulster Neutronen.

Nach Einführung von Bohrlochuntersuchungen mittels gepulster Neutronen wurde es bei den Bohrlochsarbeiten allgemeine Praxis, mit Futterrohren versehene Bohrlöcher mit verschiedenen Neutronen-Bohrlochsonden im Hinblick auf die Bestimmung der Wassersättigung und des Kohlenwasserstoffahteils von Sänäen, die außerhalb der Stahl-Futterrohre sich befinden/Vorrangig wird für diese Arbeiten eine Neutrone-Zerfallsseit-Meßsonde benutzt. Die thermische Neutronenzerfallszeit-Bohrlochsonde mißt die Zerfallsrate der thermischen Neutronenbevölkerung im Bereich eines Bohrloches.

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Eine solche Messung kann, in Werten des makroskopischen Neutronenquerschnittes Σ! der Erdformationen, im Bereich des Bohrloches interpretiert werden. Das Element Chlor hat einen relativ hohen Einfangquerschnitt für thermische neutronen im Verhältnis zu anderen Elementen, die in den Erdformationen im Bereich des Bohrloches gemeinhin vorkommen. Daher beeinflußt das Element Chlor die Messung über ETeutronen-Lebensseit mehr als die anderen gemeinhin vorkommenden Elemente. Zur Bestimmung der Wassersättigung.im Porenraum der Formationen hat sich die Eeutronen-Lebenszeit- bzwv thermische Heutronen-Zerfallszeitmessung als sehr zufriedenstellend erwiesen, wenn der Porenraum solcher lonaationen mit Öl und Salzwasser gefüllt ist, das einen hohea Ohloranteil aufweist» Weniger gut hat sich dieses Heßverfahren bewährt bei der Unterscheidung von ölführenden gegenüber !frischwasser führenden Formationen, die nur einen geringen Salzgehalt oder andere Chlor enthaltende Materialien aufweisen.

lallen* wo das vorbescliriebene Verfahren nicht ausreichend gut arbeitet, wird das Kohlenstoff /Sauerstoff—Logverfahren angewendet. Dieses Verfahren ist Z₀B=, in den US Patentschriften 3 780 301, 3 730 302 und 3 780 303 offen-"bar-te Bei dieser Technik zur Unterscheidung tob. öl und Iriscliwassej? v/erden Messungen der unelastischen Streustrahlung schneller Neutronen gemacht, die von den im Bohrlochsbereich befindlichen Materialien herrühren_Ε Es werden dabei exbrem kurze (etwa 5 Hikrosekuiiden)

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Entladungen hochenergetischer Neutronen (14- MeV) von einer gepulsten neutronenquelle ausgesandt, die die Erdformationen im Bohrlochsbereich durchdringen. Die hochenergetisehen Neutronen werden unelastisch durch in der Formations-Matrix vorkommende Elemente und durch die im Porenraum befindlichen Materialien gestreut. Diese unelastischen Streuungswechselwirkungen bewirken die Emission hochenergetischex* Gammastrahlen, die charakterisierend für diese in die Wechselwirkungen einbezogenen Elemente sind.

Diese unelastischen Gammastreustrahlen sind im wesentlichen nur während der Zeitspanne, zu der die hochenergetisehen Neutronen von der gepulsten Neutronenquelle emittiert werden, präsent. In der Meßsonde angeordnete Detektoren ermitteln (während der Neutronenaussendung) diese durch unelastische Streuung bewirkten Gammastrahlen. Extrem hohe Zählraten dieser charakterisierenden unelastischen Gammastrahlen treten bei diesem Verfahren auf. Dabei sind Zählraten von 500.000 pro Sekunde während der Emissionsphase der Neutronen nicht ungewöhnlich. Die ermittelte Energie der Gammastrahlen wird in Spannungssignale umgesetzt und zur Erdoberfläche übermittelt, wo diese Spannungssignale einem Vielkanal-Iapulshöhen-Analysator zugeführt und von diesem verarbeitet werden« In diesem System werden die Zählraten von Kohlenstoff und Sauerstoff von anderen unelastischen Gammastrahlen entsprechend der Energiebasis getrennt. Von den relativen Zählraten dieser beiden Elemente wird Verhältnissignal gebildet.

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Da das Kohlenstoff~/Wass er stoff -Verhältnis in einem Kohlenwasserstoff wesentlich höher ist als in einem wassergefüllten Sand, kann dieses Meßverfahren zur direkten Anzeige des Vorhandenseins von Kohlenwasserstoffen im Porenraum der das Bohrloch umgehenden Erdformationen benutzt werden.

Wie vorgehend schon diskutiert, besteht ein Nachteil dieses Systems in den hohen augenblicklichen Zählvorgangsraten, die bei der Ermittlung der unelastischen Gammastrahlen während der Neutronenentladungen des hoch energetischen Neutronenbeschleunigers auftreten·

In der vorliegenden Erfindung ist dieser Nachteil weitgehend überwunden worden, indem mehr die Einfang- und Aktivierungs-Gammastrahlen als die unelastischen Gammastrahlen gemessen werden. In der vorliegenden Erfindung werden die Einfang-Gammastrahlen vom Element Wasserstoff zusammen mit denen des Elementes Sauerstoff gemessen. Da das Wasserstoff/Sauerstoff-Verhältnis sehr unterschiedlich für Kohlenwasserstoffe und für Wasser ist, können Kohlenwasserstoffe im Porenraum der das Bohrloch umgebenden Erdformation anzeigende Messung durch dieses Verfahren erhalten werden. Die hohen augenblicklichen Zählraten während der Neutronenentladungen werden wesentlich reduziert. Die in der Meßsonde erzeugten Spannungsimpulse, die die Information beinhalten, können leichter verarbeitet werden, ohne dem Nachteil einer Impulsanhäufung ausgesetzt zu sein.

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Die Impulsanhäufung stellt eine Interferenz dar, die durch das zeitlich zu dicht zusammenliegende Auftreten (überlappen) von Gammastrahlen-Spannungs-Impulsen im Detektorteil der Meßsonde bewirkt wird. Dieses Phänomen bewirkt ' eine Verzerrung der Impulse, wenn sie dem Meßkabel zwecks Übertragung zur an der Erdoberfläche befindlichen Verarbeitungsanlage zugeführt werden. Mittels der vorliegenden Erfindung wird eine zufriedenstellende Diskriminierungstechnik zur Unterscheidung von öl und Wasser geschaffen.

Zusätzlich wird bei der vorliegenden Erfindung in salz-· wassergefüllten Porenräumen jegliches vorhandene Chlor durch die Verwendung von Gammastrahl-Steuerung und Energie-Gatter-Einrichtungen selektiv ermittelt. Somit wird im vorliegenden Fall die Neutronen-Zerfallszeit und die Chlormessung gleichzeitig mit der Erlangung der Information, die den Wasserstoffund den Sauerstoffgehalt dieser Erdformationen "betrifft, durchgeführt.

Für dieses Verfahren wird eine Meßsonde benötigt, die durch das zu vermessende Bohrloch verfahren werden kann, und einen gepulsten Neutronen-Generator, vorzugsweise des Deuterium-5Dritium-Typs,. aufweist, der wiederholend 14 MeV-Neutronenimpulse von einer ungefähren Dauer von einer Millisekunde aussendet. Die Meßsonde ist weiterhin mit einem zylindrischen thalliumaktivierten Natrium-Jodid-Kristall-Detektor ausgerüstet, der optisch mit einer Fotovervielfacherröhre verbunden ist. DieserKristall-Detektor erzeugt Spannungs-

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impulse, die in bezug zu den Gammastrahlen stehen, die von den Elementen, die Neutronen eingefangen haben, emittiert wurden. Diese Spannungsimpulse werden zusammen mit passenden Synchronisations- und mit Verstärkungsstabilisierungs-Impulsen einem Meßkabel zur Übermittelung zur Erdoberfläche zugeführt.

In der an der Erdoberfläche befindlichen Verarbeitungsanlage werden zur Ausblendung von Teilen der Spannungsimpulse, die mit drei dem Neutronenimpuls folgenden unterschiedlichen Zeitintervallen korrespondieren, drei Gatter-Einrichtungen benutzt. Zwei dieser Zeitintervalle enthalten Informationen, die zur Ermittlung der Neutronen-Zerfallszeit benutzt werden "können. Gleichermaßen wird einer der zu diesem Zweck benutzten Zeitintervalle außerdem für die Niedrig-Vorspannungs-Zählvorgangsrate in einem herkömmlichen Chlor-Meßgerät verwendet, um die den Chlorgehalt der im Bohrloch befindlichen Formationen betreffenden Informationen zu erzeugen. Das dritte Zeit-Gatter erzeugt Informationen, die durch Impuls-Irenn-Einrichtungen zur Diskriminierung der durch Neutronenaktivierung von Sauerstoffatomen bewirkte Gammastrahlen interpretiert werden. Darüber hinaus wird diese Impuls-Trenn-Einrichtung zur Separierung der während der Zählintervalle auftretenden Datenimpulse benutzt, in solche, die durch die Elemente Wässerstoff, Sauerstoff und Chlor erzeugt wurden. Zur simultanen Ermittlung der.thermischen Neutronen-Zerfallszeit der Chlormessung der der Messung des Wasserstoff/Sauerstoff-Verhältnisses für die im Bohrlochbereich befindlichen Erdformationen sind ent~

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sprechende Datenverarbeitungs-Schaltkreise vorgesehen. Die Messungen werden als Funktion der Teuf enlage der Meßsonde aufgezeichnet.

Anhand der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

. 1 ein schematisiertes Block-Schaltbild des gesamten Bohrloch-Meßsystems,

Pig. 2 ein Steuerdiagramm der Gatter,

Pig. 3 die Gatter zur Ermittlung der Zerfallszeit der im Bohrlochbereich befindlichen thermischen Neutronen,

Pig. 4- die Energiefenster bzw. -bereiche, die zur Diskriminierung und Vereinzelung charakteristischer Gammastrahlen von verschiedenen Elementen benutzt werden,

Pig. 5 ν.* & graphische Darstellungen von Eichkurven, die sich auf den makroskopischen Neutronen-Einfangquerschnitt und die Zerfallszeit der Neutronen bekannter Einfangquerschnitte und

Zerfallszeiten beziehen und durch das Meßsystem ermittelt wurden.

Pig. 7 eine graphische Darstellung für die Unterscheidung von öl- und Vasserzonen aufgrund der Zählraten für Wasserstoff und Sauerstoff.

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Pig. 1 zeigt ein Bohrloch 2, das die Erdformationen 3 durchteuft und mit einem !Futterrohr 4- ausgekleidet ist. ' Das Bohrloch ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 5 gefüllt. Das Futterrohr 4- ist durch eine Zementschicht 6 in seiner Lage fixiert. Durch die Zementschicht 6 wird außerdem ein Kommunizieren zwischen zwei Produktionshorizonten vermieden.

Der untertägig geführte Teil des Meßsystems "besteht im wesentlichen aus einer langgestreckten flüssigkeitsdichten hohlen Meßsonde 7, die währency fleßarbeiten durch das ausgekleidete Bohrloch 2 verfahren werden kann. Eine Signalbzw. Datenverarbeitungsanlage, deren Punktion nachfolgend noch näher beschrieben wird, ist übertägig im Bereich des Bohrlochkopfes angeordnet. Die Sonde 7 und die Datenverarbeitungsanlage sind über ein Meßkabel 8, das über eine Holle 9 geführt ist, miteinander verbunden. Das Meßkabel 8

-Kabel

kairn, als herkömmliches armiertes Vielleiter/Tür die Übermittlung der Signale von der Meßsonde 7 zur Yerarbeitungsaalage ausgebildet sein«, Zwecks Verbesserung der Hochfrequenz» tjTbertragungseigensehaftezi kami auch ein armiertes Koaxialöder ein Triaxialkabel verwendet werden.

In. der Meßsonde 7 ist eine Quell© 11 für Jioelienergetisciie !©utronen vorgesehen· Di© ETeutros.en-Qaslle 11 arbeitet gemäß der Deutsrium-5ritium-Beair&i©n_o Bie aus dieser Kernwechselwirkung emittierten Neutronen weisen sin Energieitfert iron MeY auf. Selbstverständlich können auch andere Neutronen-

quellen verwendet werden, solange sie ausreichend energetische

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Neutronen liefern.

Zur Ermittlung der aus der Wechselwirkung hoclienergetischer Neutronen mit den in den Formationen vorhandenen Materialien her resultierenden Gammastrahlen ist ein Detektor-Kristall und eine Potovervielfacherröhre 10 vorgesehen. Ein Strahlungs-Schutzschild 13 aus Blei, Eisen, Paraffin oder einem anderen geeigneten Material ist zwischen der Neutronenquelle 11 und dem Detektor-Kristall 12 angeordnet. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit vermindert, daß thermische Neutronen den Detektor-Kristall 12 erreichen und eine Neutronenaktivierung der Jod- oder Natriumatome des Kristalls bewirken. Beispielsweise kann der Kristall ein Thallium aktiviertes Natrium-Jodid, Cäsium-Jodid oder ein ähnlich aktiviertes Material aufweisen.

Wie an sich "bekannt, erzeugt der Szintillations-Detektor-Kristall 12 diskrete Lichtblitze immer dann, wenn ein Gammastrahl durch ihn hindurchgeht und die Energie in seiner Gitterstruktur umwechselt. Die optisch mit dem Kristall verbundene Fotovervielfacherröhre 10 erzeugt einen der Intensität des Lichtblitzes proportionalen Spannungsimpuls. Die Intensität wiederum ist abhängig von der den Lichtblitz bewirkenden Energiehöhe des GammaStrahls. Die Amplitude des Spannungsimpulses weist somit einen direkten Bezug zum ursächlichen Gamnastrahl auf. Diese proportionalen Spannungsimpulse werden über einen Diskriminator 18 einem Linearverstärker 17 zugeführt.

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Der Diskriminator 18 kann zur Diskriminierung oder Eliminierung z.B« der niedrigenergetischen Hintergrund-Gammastrahlung verwendet werden, die von der Aktivierung des Detektor-Kristalls durch thermische Neutronen her resultiert. Ein festeingestellter Vorspannungswert kann für diesen Zweck verwendet werden, so daß die Fotovervielfacherröhre nur Impulse passieren kann, die über einem Wert von 0_s5 MeV liegen· Eine störende Wirkung durch die Hintergxiindstrahlung kann somit eliminiert werden.

Zur Steuerung der Neutronenquelle 11 kann vorzugsweise ein an sich "bekannter Impulsgeber-Schaltkreis 14 verwendet werden. Der Impulsgeber-Sehaltkreis 14 "bewirkt, daß die l"eutronenq\ielle 11 impulse von relativ-kurzer Zeitdauer erzeugt. Der Xmpulsgeber-Schaltkreis 14 kann z.B. durch Steuerimpulse von einem Pulser 20 gesteuert werden, der seinerseits von einem Zeitgeber 39 _s der übertage angeordnet ist, angesteuert wird . So kann z«B. der Falser 20 durch einen Zeitimpiils vom Zeitgeber 39 aktiviert werden, um einen Steuerimpuls zu erzeugen, der beim Impulsgeber-Schaltkreis 14 bewirkt" 3 daß die leutronen-Quelle 11 eingeschaltet wird, UiI lieiitr-oneiieiitladungen von spezieller Zeitdauer zu emittieren* Ia der vorliegenden Erfindung beträgt die foe= Yor-zugte Zeitdauer ungefähr eine~Mllisekira.de«

Die Entladungsfrequenz wird, durch den Zeitgeber 39 se^steuert_s der jedoch durchaus auch in der Meßsonde angeordnet sein kann.

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Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, mit einer Entladungsfreqenz von ungefähr 100 Entladungen pro Sekunde zu arbeiten. Jeder Meutronenstoß dauert ungefähr eine Millisekunde; die nachfolgenden neun Millisekunden zwischen den Heutronenentladungen beinhalten den Zeitintervall, während dem die Gammastrahlen-Messungen durchgeführt werden.

Die Arbeitsweise der Zeitgatter 40,41 und 42 soll anhand der gleichzeitigen Betrachtung der IPig. 1 und 2 näher erläutert werden. Das Zeitgatter 1 (Bezugszahl 40 in Fig. 1) wird unmittelbar nach Beendigung einer Heutronenentladung, wie aus Pig. 2 zu ersehen, geöffnet und bleibt in dieser Stellung von einem Zeitpunkt, der 1,1 Millisekunden nach dem Beginn der Neutronen-Entladung liegt bis zum Zeitpunkt, der 2,0 Millisekunden nach dem Beginn der Entladung liegt. latensignale der Meßsonde werden dem Zeitgatter 1 (40) über t;inen Spektrumstabilisator 44 zugeleitet, der die Signale äes Pulsers 20 zur Steuerung der Linearität der Verstärkung des Systems benutzt. Diese Steuerungsart ist an sich bekannt und in der US-PS 3 767 921 offenbart. Der Spektrumsstabilisator 44 ermittelt jegliche Drift in der Verstärkung der Energiediskriminierung oder des Impulshöhen-Analysators 45 (Pig. 1) und steuert die Verstärkung des Systems, um eine Linearität in der Impulshöhen-Information aufrechtzuerhalten, die über das Meßkabel 8 und die Leitung 15 übermittelt wird.

Die 5:i Verstärkungsfaktor stabilisierten Signale werden vom

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Spektrumsstabilisator ü"ber eine Leitung 46 den Zeitgattern 40,41 und 42 zugeführt. Das Zeitgatter 2 (Bezugszahl 41 in Fig. 1) wird durch einen Steuerimpuls vom Zeitgeber 39 konditioniert, um den Datenimpulsen in der Leitung 46 zu ' ermöglichen, den nachfolgenden Schaltkreis von einem Zeitpunkt, der 1,4 Millisekunden nach dem Beginn der Entladung liegt und bis zum Zeitpunkt 2,0 Millisekunden nach dem Beginn dauert, zu passieren. Gleichermaßen wird das Zeitgatter 3 (Bezugszahl 42 in 3S¹Ig. 1) durch einen Steuerimpuls des Zeitgebers 39 konditioniert, um den. Datenimpulsen zu. ermöglichen, während eines Zeitintervall es von 5?8 Millisekunden, beginnend sum Zeitpunkt 4,0 Millisekunden nach Beginn der Entladung, den Schaltkreis zu passieren«

Die Datenimpulse von den Zeitgattern 40, 41 und 42 werden als Eingangsimpulse dem Impulshöhen-Analysator 45 zugeführt. Der Impulshöhen-Analysator hat die Aufgabe, die in einer Anzahl von Energiebereichen oder Energiefenstern des Gammastrahlenspektrums auftretenden Gammastrahlen, die von der Heßsonde 7 nach Übertage übermittelt werden, zu sortieren und zu akkumulieren. Aus der !figur 4 ist das Energiefenster für Wasserstoff ersichtlich, das sich über einen Bereich von 1,3 bis 2,9 MeV erstreckt und benutzt wird zur Zählung der Spannungsimpulse, die die Einfangs-Gamma strahl en vom Element Wasserstoff in der das Bohrloch umgebenden Iformation darstellen. Den in den Zeitgattern 40 und 41 auftretenden Impulsen ist es ermöglicht, den Impulshöhen-Analysator 45 während dieser beiden Zeitspannen zu erreichen, in dem sie

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von anderen während der zwei Zeitspannen auftrett5n*den Im-' pulsen diskriminiert werden. Die während dieser zwei Zeitspannen im Wasserstoff-Energiefenster auftretenden Zählvorgänge gehen über Ausgangsleitungen als Werte H_x. und EU · ab (siehe Fig. 1). Außerdem ist es während der Zeitspanne des aktivierten Zeitgatters 1, einem Chlor-Energiefenster, das sich 3j4- bis 8,0 MeV erstreckt, möglich, Datenimpulse vom Gatter 40 zu erhalten. Diese Impulse werden, wie nachfolgend noch näher beschrieben, zur Erlangung einer Chlor-Messung benutzt.

Auf ähnliche Weise erhält ein Sauerstoff-Energiefenster, das sich von 3,0 bis 7,25 MeV erstreckt (siehe Fig. 4), Datenimpulse in diesen Energiebereich während" des Zeitintervalles, zu dem das Zeitgatter 42 geöffnet ist. Andere während dieses Zeitintervalles auftretenden Energie-Impulse werden diskriminiert. Die akkumulierten Zählvorgänge in diesen Zeitintervallen werden über Ausgangsleitungen vom Impulshöhen-Analysator als Cl-Werte und O-Werte abgegeben (siehe Fig. 1).

Die Arbeitsweise eines Neutronen-Zerfallszeit-Rechners 47_; für die Ermittelung der Zerfallszeit der thermischen Neutronen soll anhand der Fig. 3 erläutert werden. Nach Aussendung der hochenergetischen Neutronen von der Neutronen-Quelle 11 in der Meßsonde 7» werden diese im Bohrloch und in der Formation sehr schnell zu thermischen Neutronen durch die Kollision mit den Kernen der Atome der im Bereich- des Bohrloches befindlichen Medien abgebremst. Die thermisierten Neutronen

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werden dann von Eernen unter Emission charakteristischer Gamma-Strahlen eingefangen. Ist der Neutroneneinfang der einzige während des Zeitintervalles, nachdem die hochener getischen Neutronen ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben, ablaufende Prozess, kann der Zerfall der Neutronendichte N gemäß der folgenden Gleichung ausgedrückt werden,

N = N_Qe

wobei t die gemessene Zeit vom Zeitpunkt t nach dem Neutronenausstoß bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts und IT die anfängliche Neutronendichte zum Zeitpunkt

t ist· Die den thermischen Neutronen innewohnende Zerfallso

zeit ist mit f. bezeichnet· Die Kurve 50 i*i &e? Fig. 3 stellt den expotentialen Abfall während dieses Zeitintervalles dar. Die Zeitintervalle der Gatter 1 und 2 sind vergrößert zur Kurve 30 in Fog. 3 dargestellt. Der Verlauf der expotentialen Zerfalls-Kurve 50 entspricht der der Formation im Bereich des Bohrlochs durch Neutroneneinfang innewohnenden Neutronenzerfallszeit als einzigen während dieses Zeitintervalles stattfindenden Prozesses. Unter Berücksichtigung der in. den Zeitgattern 1 und 2 auftretenden Zählvorgängen im Wasserstoff-Energiefenster als Darstellung der gesamten thermischen Neutronenbevölkerung im Bereich des Bohrloches während dieser zwei Zeitintervalle,kann" die Neigung" der Kurve 50 unter Berücksichtigung dieser Zählvorgänge als zwei Punkte auf der Expotentialkurve gemessen und die Neigung in an sich bekannter Weise erhalten werden· Diese Neigungsberechnung wird im Neutronen-Zerfallszeit-Rechner 4? durchgeführt, wenn als

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Eingangswerte die H^- und E^-Werte vom Impulshöhenanalysator 45 eingegeben werden. Der Neutronen-Zerfalls ζ eit-ReeJbner 47 errechnet somit die Neigung der expotentialen Zerfallskurve und erzeugt einen Ausgangswert 6 (siehe Fig. 1),der einem' herkömmlichen Aufzeichnungsgerät 48 zugeführt wird.

Das Aufzeichnungsgerät 48 ist elektrisch oder mechanisch mit der Eolle 9» wie es durch die gestrichelte linie dargestellt ist, verbunden und bewegt somit das Aufzeichnungsmedium 51 als Punktion der Bohrlochtiefe zwecks Aufzeichnung der einzelnen Größen.

Der makroskopische Einfangquerschnitt Σ der im Bohrloehbereich befindlichen Erdformation ist durch die folgende Gleichung gegeben:

t* (Mikro Sekunden) wobei J) in Einfangseinheiten dargestellt ist und einerEinfangseinheit 10 ^ cm /cur entspricht

Da der makroskopische Neutronen-Einf angquerschnitt Σ ein guter Indikator für die in dem Porenraum der Gesteinsmatrix im Bereich des Bohrloches vorkommenden STüssigkeitstypen und insbesondere" sensitiv für das Element Chlor mit seinem sehr großen Einfangquerschnitt ist, ist diese Information sehr hilfreich bei der Bestimmung der Wassersättigung und der ölsättigung in der Gesteinsmatrix. Man könnte nun annehmen, daß die während der Zeitintervalle der geöffneten Zeitgatter

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40 und 41 ermittelten Werte Σ und T, d.h. der Neutroneneinfang der einzig ablaufende Prozess ist. Die Messung kann durch Neutronendiffusion oder andere Bohrlocheffekte eine leichte Pehlmessung bewirken. In den Pig. 5 und 6 ist die-

Beziehung des gemessenen Wertes *c gemäß der vorhergehenden Beschreibung zu einem gemessenen Wert £ einer Gesteinsmatrix mit bekanntem Pluidgehalt und bekannter Neutronen-Zerfallszeit dargestellt. Die Pig. 6 zeigt diese Beziehung, wobei auf

*)
der Ordinate der gemessene Wert T/au£gezeichnet ist. Diese Darstellung zeigt den geringen Korrekturfaktor, der bei der Interpretation der Heutronen-Zerfallzeiten zu berücksichtigen ist. Wird die durch das Aufzeichnungsgerät 48 in Pig. 1 erzeugte Messung in Einfangs-Querschnitts-Werten Σ anstelle von Zerfallszeiten-Werten T' aufgetragen*, ist der aus der Pig. 5 zu ersehene Korrekturfaktor zwischen dem gemessenen Wert Σ gemäß der vorhergehenden Beschreibung und dem Wert Σ geeicht ^^er "bekannten Erdmedien zu berücksichtigen.

Somit können die gemessenen Werte des makroskopischen Einfang-Querschnittes Σ1 und die Werte der Neutronen-Zerfallszeit ⁶C mittels Kurven gemäß Pig. 5 und 6 für andere Effekte, wie z.B. Neutronen-Diffusion und Bohrlocheffekte, nachdem sie auf dem Aufzeichnungsmedium 51 geplottet sind, korrigiert werden. Diese Korrektur kann alternativ auch vom Neutronen-Zerfalls zeitrechner 47. durchgeführt und die korrigierten Kurven direkt vom Aufzeichnungsgerät 48 auf dem Aufzeichnungsmedium 51 aufgezeichnet werden. Sämtliche Berechnungen, die von den Rechnern 47, 52 und 53 durchgeführt werden, können *)und auf der Absizze der gemessenen Wert _ ^η _

geeicht

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aueh von einer entsprechend programmierten Gesamt-Rechnereinheit durchgeführt werden.

Die Meßtechnik für den Chlorgehalt ist in der US-PS 3 219 offenbart. Diese Messung "beinhaltet die Wahrnehmung der Einfangs-Gammastrahlen-Zählvorgänge in zwei verschiedenen Bereichen des Gammastrahlen-Energiespektrums, die mit dem Wasserstoff-Energiefenster und dem Chlor-Energiefenster gemäß Fig. 4- korrespondieren. Werden diese Kurven überlagert, ist jeglicher Abfall in der Zählrate der Chlorkurve relativ zur Wasserstoff kurve, der größer als vorausgesehen aufgrund von Bohrlochgrößenänderungen oder Schief er anomalien (aufgrund des Borgehaltes im Schiefer) ist, ein Anzeichen entweder von Süßwasser oder von Kohlenwasserstoffen. Wird diese Messung mit der Wasserstoff/Sauerstoff-Verhältniskurve kombiniert, die in einer noch nachfolgend zu beschreibenden Weise erhalten wird, kann die Süßwasser—Abweichung abgezogen werden und eine Interpretation der zwei Kurven Chlor-Messung eine Anzeige für den Kohlenwasserstoffgehalt der im

erfolgen

Bohrlochbereich befindlichen ErdformationenZ Quantitative Techniken zur Interpretation der Chlormessung können abgeleitet werden,'indem die Wasserstoff-Zählrate gegenüber der Chlor-Zählrate in interessierenden Teufenlagen (z.B. in solchen Lagen, in denen eine unerwartet niedrige Chlor-Zählrate ermittelt wird) geplottet wird und eine Gruppe von Linien, die mit unterschiedlichen prozentualen-Wassersättigungswerten für unterschiedliche Matrixmaterialien korrespondieren, können festgelegt werden.

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Somit kann mit dieser Messung eine quantitative Aussage bezüglich der WasserSättigung getroffen werden.

Der Chlormessungs-Rechner 52 in Pig. 1 führt eine Vorverarbeitung der Daten zwecks Korrigierung von Bohrlocheffekten (gemäß der US-PS 3 219 820) durch. Während des Zeitintervalles, in dem das Gatter 40 geöffnet ist, werden auf dem Aufzeichnungsmedium 51 durch das Aufzeichnungsgerät 48 .die Kurven, die die Zählraten im Wasserstoff- und im Chlor-Energiefenster repräsentieren, als Funktion der Bohrlochtiefe geplottet. Die Daten werden vom Chlorgehalt-Rechner 52 aus den Werten H- und Cl der Energiefenster abgeleitet, die vom Impulshöhen-Analysator 45 zugeführt wurden.

Die während des Öffnungsintervalles des Zeitgatters 3 (Bezugszahl 42 in Fig. 1) auftretenden Datenimpulse von der Meßsonde 7 sind kennzeichnend für die Gammastrahlen, die durch Aktivierung des Elementes Sauerstoff in den das Bohrloch umgebenden Medien erzeugt wurden, Ein die Zshlrate darstellendes Signal wird vom Impulshöhen-Analysator 45 erzeugt. Dieser Wert 0 wird zusammen mit dem H^-Wert (d.h. der Zählrate im Wasserstoffenster während des Zeitgatters 1) als Eingangswert einen Wasserstoff/Sauerstoff-Verhältnis-Rechner 53 (Fig. 1) zugeführt. Der vom'Rechner 53 ermittelte Verhältniswert wird dem Aufzeichnungsgerät 48 zugeführt, der das H/O-Verhältnis als Funktion der Bohrlochtiefe auf dem Aufzeichnungsmedium 51 "plottet.

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Fig. 7 stellt einen Kreuzplot der im Viasserstoff-Energiefenster (Fig. 4) während des Zeitgatters 1 (H^) und der im Sauerstoff-Energiefenster während der Öffnungszeit des Zeitgatters 3 auftretenden Zählvorgänge dar. Sind die Datenpunkte "bekannter ölzonen und "bekannter Wasserzonen aufgenommen, ist es ersichtlich aus der Fig. 7» daß eine weite Trennung in den Zählraten des Wasserstoff-Energiefensters und des Sauerstoff-Energiefenster zwischen diesen "beiden Zonen vorhanden ist. Dieser Zählratenunterscheid ist unabhängig vom Vorhandensein des Elementes Chlor im Wasser des Porenraumes der Gesteinsmatrix. Da Kohlenwasserstoffe weit weniger Sauerstoff als Wasser im Porenraum aufweisen, ist es ersichtlich, daß in einer ölzone ein Wasserstoff/Sauerstoff -Verhältnis vom Verhältnis-Rechner ermittelt wird, das weit größer ist als in einer Salz- oder Süßwasser führenden Formation. Somit ist die Wasserstoff/ Sauerstoff-Verhältnis-Messung, die auf dem Aufzeichnungsmedium 51 geplottet wird, ein direkter Indikator für Kohlenwasserstoffe im Porenrsum der im Bohrlochs"bereich befindlichen Formation. Für den Betrieb des vorbeschriebenen Systems ist eine Stromquelle 54- vorgesehen·

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Claims

- 20 - 2? 75 008 D Patentansprüche

1) Verfahren zur direkten Bestimmung von Kohlenwasserstoff führenden Formationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind,mittels gepulster Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einer gepulsten Neutronenquelle für schnelle Neutronen und einem Strahlungs-Detektor ausgerüstete Meßsonde durch das Bohrloch verfahren wird und die Umgebung des Bohrloches mit sich wiederholenden Entladungen schneller Neutronen bestrahlt wird, daß während eines ersten Zeitintervalles nach einer der Neutronenentladungen die auf den Einfang von Neutronen durch den im Bereich des Bohrloches befindlichen elementaren Wasserstoffs zurückzuführende Gammastrahlung durch den Detektor ermittelt und ein dieser Strahlung entsprechendes Signal E^j erzeugt wird, daß während dieses ersten Zeitintervalles die auf den Einfang von Neutronen durch den im Bereich des Bohrloches befindlichen elementaren Chlors zurückführende Gammastrahlung durch den Detektor ermittelt und ein dieser Strahlung entsprechendes Signal Cl erzeugt wird, daß ein in bezug zum Signal EL stehendes Signal Cl/^v erzeugt wird, daß während eines zweiten Zeitintervalles nach einer der Neutronenentladungen, die auf den Einfang von Neutronen durch den im Bereich des Bohrloches befindlichen elementaren Wasserstoffs zurück»

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zuführende Gammastrahlung durch den Detektor ermittelt und ein dieser Strahlung entsprechendes Signal Hp erzeugt wird, daß die Signale IL und ILj gemäß einer vorbestimmten Beziehung zur Erzeugung eines in bezug zur thermischen Neutronen-Zerfallszeit von im Bereich des Bohrloches befindlichen Materialien stehenden Signals zusammengefaßt werden, daß während eines dritten Zeitintervalles nach einer der Neutronenentladungen die auf den Einfang von Neutronen durch den im Bereich des Bohrloches befindlichen elementaren Sauerstoffs zurückzuführende Gammastrahlung durch den Detektor ermittelt und ein dieser Strahlung entsprechendes Signal 0 erzeugt wird, daß ein Verhältnissignal von H./O erzeugt wird und daß die Signale als Punktion der Bohrlochtiefe auf ein Aufzeichnungsmedium geplottet werden·

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Erdformationen mit hochenergetischen Neutronen von etwa 14- HeV über eine Entladungszeit von etwa einer Millisekunde bestrahlt werden.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß für den ersten und zweiten Zeitintervall ungleiche Zeitspannen gewählt werden, die sich gegenseitig überlappen.

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4). Verfahren nach einem der vorhergehenden · Ansprüche j dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Zeitintervall eine Zeitdauer von etwa 0,9 Millisekunden, der zum Zeitpunkt von etwa 0,1 Millisekunden nach Beendigung der Heutronenentladung beginnt, für den zweiten Zeitintervall eine Zeitdauer von etwa 0,6 Millisekunden, der zum Zeitpunkt von etwa 0,4 Millisekunden nach Beendigung der Neutronenentladung beginnt und für den dritten Zeitintervall eine Zeitdauer von etwa 5,8 Millisekunden, der zum Zeitpunkt von etwa 3,0 Millisekunden nach Beendigung der üeutronenent ladung beginnt, gewählt wird.

5) Verfahren nach einem der vorhergehenden JÄnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale EL und EU in einem Energiebereich von 1,3 bis 2,9 MeV des Gammastrahlungsspektrums ermittelt und entsprechende Zählvorgangs-Signale erzeugt werden.

6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Cl-Signal in einem Energiebereich von 3,4 bis 8,0 MeV des Gammastrahlungsspektrums ermittelt und ein entsprechendes Zählvorgangs-Signal erzeugt wird.

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7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das O-Signal in einem Energiebereich von 3,0 bis 7 »25 MeV des Gammastrahlungsenergiespektrums ermittelt und ein entsprechendes Zählvorgangs-Signal erzeugt wird.

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