DE2600812A1

DE2600812A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die bestimmung der dichte von bohrlochdurchteuften geologischen formationen

Info

Publication number: DE2600812A1
Application number: DE19762600812
Authority: DE
Inventors: Darwin V Ellis
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1975-01-24
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1976-07-29
Also published as: MX3213E; AU1023576A; US4048495A; NL7600644A; EG11863A; NO754431L; IN145122B; DE2600812C3; NO143512B; DE2600812B2; CA1033075A; JPS51101701A; ES444140A1; YU6276A; FR2298680A1; IE41986L; GB1531572A; PT64735B; GR57856B; TR18828A

Description

DIPIi.-ING. H. MABSCH 4 Düsseldorf,

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DIPL.-ING. K. SPARING postfach i*oi47

PATENTANWÄLTE TELEFON (02H) 672246

Beschreibung
zum Patentgesuch

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

betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung für die Bestimmung der Dichte von bohrlochdurchteuften geologischen Formationen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Bestimmung der Dichte von bohrlochdurchteuften geologischen Formationen; mit der Erfindung soll insbesondere eine Verbesserung dahingehend erreicht werden, daß der gewonnene Dichtewert weitgehend unempfindlich ist gegenüber dem Vorhandensein eines Bohrspülungskuchens, der sich auf der Bohrlochwandung abgelagert hat.

Es ist bekannt, die Dichte einer geologischen Formation zu messen, indem man sie mit Gammastrahlung beaufschlagt und die Strahlung erfaßt, die in der Formation gestreut worden ist. Die erfaßte Gammastrahlung hat hauptsächlich mit den Elektronen

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reagiert, deren Dichte proportional der Dichte der Formation ist, und die Zählrate ist proportional dieser Größe, die auf diese Weise bestimmt werden kann.

Die Dichte, die von der Zählrate der in der Formation gestreuten Strahlung abgeleitet ist, ist jedoch leider nur eine scheinbare Dichte, weil sie beeinflußt ist durch die Eigendichte, die im allgemeinen abweichend ist von der der Formation des Bohrspülungskuchens, der sich auf der Bohrlochwandung abgelagert hat und der deshalb von der Gammastrahlung zweimal durchsetzt werden muß, wenn diese vender Quelle zum Detektor verläuft.

Um den Zähler infolge des Vorhandenseins dieser parasitären Schicht zu korrigieren, hat man vorgeschlagen, zwei Strahlungsdetektoren vorzusehen, die derart angeordnet sind, daß der eine relativ nahe der Quelle hauptsächlich Strahlung empfängt, die in dem Bohrlochkuchen gestreut worden ist, während der andere,relativ weit von der Quelle angeordnete hauptsächlich Strahlung empfängt, die in der Formation gestreut wurde. Um darüber hinaus den Einfluß der mittleren Atomzahl des Milieus zu eliminieren, in dem die Strahlung gestreut wird, werden die Zählraten beider Detektoren nicht in dem gesamten Spektrum gemessen, sondern in einem Energieband, das die Gammstrahlen umfaßt, die im wesentlichen nur durch den Compton-Effekt geschwächt worden ist. Damit fearner die Information, geliefert von dem der Quelle nächstliegenden Detektor, mit größerer Sicherheit die Gammastrahlung repräsentiert, die in den Materialien unmittelbar nahe der Bohrlochwandung gestreut worden ist, wird die Zählrate dieses Detektors in einem Band gemessen, das die Strahlung überdeckt, deren Energie im allgemeinen nur ein einziges Mal durch den Compton-Effekt verringert worden ist.

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Zwei Dichtewerte d_L (Formationsdichtenäherungswert) und dp (Dichte der Materialien unmittelbar an der Bohrlochwandung) werden demgemäß berechnet ausgehend von den jeweiligen Zählraten N_T bzw. N_ des von derQuelle weit abliegenden Detektors bzw. des der Quelle naheliegenden Detektors unter Verwendung der bekannten Formeln:

d_T = d__ + A log N₁.

Li U Jj

d_c = d'_o + A¹log (N_c/d_L),
worin d_, d¹ ,A und A¹ Konstanten sind.

Eine Eichkurve, die konstruiert wird ausgehend von Messungen, welche mit Bohrspülungskuchen unterschiedlicher Dicke ausgeführt wurde, gesta ttet demgemäß, den Fehler Δ d festzustellen in Funktion der Differenz d_T - d„, mit dem der

Jj C

Dichtenäherungswert d_T, abgeleitet von der Zählrate N_T, be-

Jj Jj

haftet ist. Der angenommene Wert für die korrigierte Dichte der Formation ist:

d = d_T + Ad.

Jj

Weil man sich darauf beschränkt, für den in geringem Abstand von der Quelle liegenden Detektor nur die Gammastrahlung zu berücksichtigen, die einer einzigen Compton-Streuung unterworfen worden ist, d.h. diejenigen Gammastrahlen, die nur sehr wenig in das Material nahe dem Bohrloch eingedrungen sind, liefert die beschriebene Kompensationstechnik ausgezeichnete Resultate für Bohrspülungskuchendicken unterhalb der Eindringtiefe der Strahlung, welche etwa 3o mm beträgt, jedoch jenseits dieser Dicke ist die Kompensation offensichtlich viel weniger befriedigend. Diese Beschränkung des bekannten Verfahrens hat jedoch nur relativ begrentze Konsequenzen, weil

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der Bohrspülungskuchen nur selten 3o mm Dicke übersteigt. Der einzige Fall, wo das Verfahren versagt, ist derjenige von Tonformationen, die man als "schlecht" oder "degradiert" bezeichnet. Es kommt nämlich vor, daß von Tonformationen Wasser in erheblicher Dicke aufgesogen worden ist und dabei der Grenzwert von 3o mm sehr häufig überschritten wird, womit eine Schicht erzeugt wird mit einer Dichte unterhalb der normalen Dichte des Tones, deren Effekt nicht korrigiert werden kann. Man mißt demgemäß eine zu niedrige Dichte der Tonformationen, was einen ernsten Nachteil darstellt, weil man die Bedeutung des Tones bei der Technik der Interpretation von in Bohrlöchern gewonnenen Messungen kennt.

Ein Mittel, um diesen Nachteil zu beheben, liegt auf der Hand: Um die Eigendichte von "parasitären" Materialschichten zu berücksichtigen, die eine Dicke oberhalb 3o mm besitzen und damit die Energien der Strahlung durch mehrere Compton-Streuungen verringern, kann man nämlich ganz einfach die Energien des Zählfensters des der Quelle naheliegenden Detektors nach unten vergrößern. In der Realität ist diese Lösung schlecht, weil zwar die Kompensation für erhebliche Dicken verbessert wird, die Kompensation für geringe Dicken jedoch schlechter wird, was nicht akzeptabel ist, weil eben die Bohrspülungskuchen meistens relativ geringe Dicken aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein zu seiner Durchführung geeignete Anordnungen vorzuschlagen, mit welchen das dargestellte Problem gelöst werden kann, beruhend auf der Tatsache, daß in dem Bereich nahe der Bohrlochwandung dicke, aber auch dünne Schichten von Materialien mit einer von der untersuchten Formation abweichenden Dichte vorliegen können.

Das Verfahren gemäß der Erfindung,mit dem die Lösung erreicht wird, ergibt sich aus dem Patentanspruch 1. Anstatt

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also eine Lösung zu wählen, mit der die Qualität der Kompensation für geringe Dicken verringert wird, um eine Kompensation für größere Dicken zu verbessern, mißt man einerseits die Zählrate der Strahlen, die in einer Zone nahe dem Bohrloch gestreut worden sind, deren Energien jedoch mehr als einmal durch den Compton-Effekt beeinträchtigt worden sind. Diese Zählrate, die demgemäß repräsentativ ist für die Eigendichte der Materialien nahe dem Bohrloch, nicht jedoch unmittelbar an der Bohrlochwandung, kann demgemäß dazu dienen, den Einfluß dieser Materialien zu kompensieren, während der Einfluß von Materialien unmittelbar an der Bohrlochwandung mit Hilfe einer Messung der Strahlungszählraten erfolgt, bei denen die Strahlung nur ein einziges Mal durch den Compton-Effekt beeinflußt worden ist. Die beiden auf diese Weise erzielten Kompensationen stören sich nicht gegenseitig, und die Dichte der Formation kann mit großer Genauigkeit bestimmt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 2 definiert, während eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung in Patentanspruch 3 definiert ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Sonde mit einer

Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 stellt die Analysierschaltung der An

ordnung dar,

Fig. 3 und 4 zeigen zwei experimentell gewonnene

Kurven, und

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Fig. 5 zeigt das Schema einer Anordnung für

die Berechnung der Dichte, ausgehend von den drei gemessenen Zählraten.

Man erkennt in Fig. 1 im Inneren eines Bohrlochs 1o, das durch geologische Formationen 11 abgeteuft ist, eine Sonde 12, die an einem Kabel 13 hängt, mittels dem die Sonde an eine Oberflächeninstallation 14 angeschlossen ist. Das Bohrloch ist mit einem Fluid, wie Öl, Wasser, Bohrspülung, Gas oder einer Kombination dieser Substanzen, gefüllt, derart, daß sehr häufig und insbesondere in Bereichen interessanter permeabler Zonen die Bohrlochwandungen mit einem Bohrspülungskuchen bedeckt sind.

Die Sonde 12, die im Bohrloch 1o exzentriert ist mit Hilfe eines elastisch betätigten Armes 16, umfaßt gegenüber diesem Arm einen Schlitten 17, dessen beide Arme 18 elastisch an der Bohrlochwandung derart anliegen, daß der Schlitten so gut wie möglich den Unregelmäßigkeiten des Bohrlochverlaufes folgen kann.

Der Schlitten 17, der in der zeichnerischen Darstellung als einziger im Schnitt dargestellt ist, umfaßt in Ausfluchtung längs ein- und derselben Mantellinie der Sonde gegenüber dem Arm 16 eine Gammastrahlenquelle 19 und zwei Szintallationsdetektoren 2o und 21, die von der Quelle unterschiedlichen Abstand aufweisen. Die Quelle aus Cäsium 137 emittiert Gammastrahlung von 6 6o KeV und befindet sich am Boden einer zylindrischen Kollimationsausnehmung 22, welche sich senkrecht zur Sondenachse erstreckt und durch ein Fenster 23, das gammastrahlendurchlässig ist, verschlossen ist; das Fenster besteht beispielsweise aus Epoxydharz. Die Quelle 19 ist von einer Panzerung 24 großer Dichte umschlossen, beispielsweise aus Wolfram, die dazu dient, zu verhindern, daß die beiden

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Detektoren 2o und 21 von direkt auftreffender Gammastrahlung beeinflußt werden. Der Detektor 2o besteht in üblicher Weise aus einer Baugruppe mit Szintillator 25 und Fotovervielfacher 26. Der Szintillator 25 ist im wesentlichen in der Achse des Schlittens 17 11cm von der Achse der Ausnehmung 22 entfernt am Boden einer Kollimationsleitung 27 angeordnet, die unter 45 gegen die Quelle geneigt verläuft und eine Wolframabschirmung 28 durchsetzt, die sich auf praktisch der gesamten, der Wandung zugekehrten Fläche des Schlittens erstreckt. Der Detektor 21 besteht ebenfalls aus einer Baugruppe Szintillator 29 - Fobvervielfächer 3o. Der Szintallator 29 liegt 36 cm von der Achse der Ausnehmung 22 entfernt unmittelbar hinter einem schützenden Fenster 31, das für Gammastrahlung transparent ist und die Wolframabschirmung 28 durchsetzt.

Die insoweit beschreibene Struktur des Schlittens 17 bildet eine optimale Anordnung, bei der der Detektor 2o, der der Quelle 19 näher liegt, hauptsächlich auf Gammastrahlung anspricht, die in dem Material relativ nahe der Bohrlochwandung gestreut worden ist, also insbesondere in dem Bohrspülungskuchen 15, wärend der Detektor 21, der von der Quelle weiter entfernt ist, hauptsächlich auf Gammastrahlung anspricht, die in den Formationen 11 gestreut worden ist.

Die von den beiden Detektoren gelieferten Signale werden an eine Elektronik-Baugruppe 32 der Sonde übertragen, die im wesentlichen eine Analysierschaltung 33 umfaßt, welche im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist, sowie einen Fernmeßübertrager 34 umfaßt, mittels dem die von der Schaltung 33 erzeugten Informationen an- die Oberflächeninstallation 14 übertragen werden.

Wie man Fig. 2 entnimmt, beaufschlagt der Fotovervielfacher 26 des der Sonde nächstgelegenen Detektors 26 über seinen Vorverstärker 35 drei Schwellenkomparatoren 36, 37 und 38,

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denen als Bezugswerte Impulsamplituden entsprechend erfaßten Energien E₁, E und E zugeordnet sind. Die Energien E. - E„ definieren die Extremwerte eines "Fensters", das die Gammastrahlung der Cäsion-137-Quelle eingabelt, deren Energie mehrmals durch den Compton-Effekt verringert worden ist, während die Energien E„ - E die Extremwerte eines "Fensters" darstellen für Gammastrahlung, deren Energie nur ein einziges Mal durch den Compton-Effekt verringert worden ist. Der Ausgang des Komparators 36 ist direkt mit einem Eingang eines UND-Gatters 39 mit zwei Eingängen verbunden, während der Ausgang des Komparators 37 mit dem zweiten Eingang dieses Gatters über einen Inverterschaltkreis 4o vafounden ist. Der Ausgang des Komparators 37 ist außerdem direkt verbunden mit einem Eingang eines UND-Gatters 41 mit zwei Eingängen, während der Ausgang des Komparators 38 mit dem zweiten Eingang dieses Gatters über einen Inverterschaltkreis 42 verbunden ist.

Man erkennt ohne weiteres, daß die Ausgangsimpulse des Verstärkers 35 mit einer Amplitude einsprechend einer erfaßten Energie,unterhalb E₁ ohne Wirkung auf die Spannungskomparatoren 36, 37 und 38 sind, während drei Ausgangspegel den Logikzustand Null behalten, derart, daß in diesem Falle die UND-Gatter 39 und 41 gesperrt bleiben. Andererseits lösen die Impulse des Verstärkers 35 mit einer Amplitude entsprechend einer erfaßten Energie oberhalb E_ gleichzeitig die drei Spannungskomparatoren aus, aber infolge der Wirkung der M-den Inverterschaltkreise 4o und 42 bleiben die Gatter 39 und 41 wiederum gesperrt. Dagegen lösenlmpulse, deren Amplitude einer Energie zwischen E₁ und E entspricht, den Komparator 36 aus, nicht jedoch den Komparator 37. Unter der Wirkung des Inverterschaltkreises 4o jedoch läßt das Gatter 39 diese Impulse durch. In gleicher Weise lösen die Impulse, deren Amplitude einer Energie zwischen E₂ und E_ entspricht, die Komparatoren 36 und 37 aus, nicht jedoch den Komparator 38.

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Unter der kombinierten Wirkung dieser drei Komparatoren und der Inverterschaltkreise 4o und 42 bleibt das Gatter 39 ges^perrt, doch wird das Gatter 41 durchlässig. Zusammengefaßt erzeugt das Gatter 39 einen Impuls für jeden Impuls des Verstärkers 35 entsprechend einer erfaßten Energie zwischen E₁ und E_, während das Gatter 41 einen Impuls für j eden Impuls des Verstärkers entsprechend einer erfaßten Energie zwischen E₂ und E-, erzeugt.

Der Fotovervielfacher 3o des weiter von der Quelle entfernten Detektors seinerseits beaufschlagt für seinen Verstärker 43 zwei Spannungskomparatoren 44 und 45, denen als Bezugsgröße Impulsamplituden zugeordnet sind entsprechend erfaßten Energien E¹ bzw. E¹ . Diese beiden Werte definieren die Extremwerte eines Energiefensters, das die Gammastrahlung der Cäsium-137-Quelle überdeckt, deren Energie hauptsächlich durch Compton Difusion verringert wurde. Der Ausgang des Komparators 44 ist direkt verbunden mit einem Eingang eines UND-Gatters mit zwei Eingängen 46, während der Ausgang des Komparators 45 mit dem zweiten Eingang dieses Gatters über einen Inverterschaltkreis 47 verbunden ist.

Man erkennt sofort,ohne die Funktion dieser Logikschaltung im einzelnen analysieren zu müssen, weil sie analog der Logikschaltung für den Detektor 26 arbeitet, daß das UND-Gatter 46 einen Impuls erzeugt für jeden Impuls des Verstärkers 43, dessen Amplitude einer erfaßten Energie zwischen E¹.. und E'_ entspricht.

Was nun die für die Energien E₁, E_?, E , E' und E¹ angenommenen Werte angeht, so ergibt sich aus dem Vorstehenden;

- daß die beiden unteren Grenzwerte E₁ und E¹ ..jenseits des unteren Energiebereiches des Spektrums gewählt werden

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müssen, das,abhängt von der mittleren Atomzahl des Milieus, d.h. im wesentlichen oberhalb von 12o KeV,

- daß die beiden oberen Grenzwerte E_ und E¹ kleiner sein müssen als die Strahlungsenergie emittiert von der Quelle (660 KeV für Cäsium 137),

- daß die mittlere Grenzenergie E definiert werden muß in Funktion der Quelle des Abstandes zwischen der Quelle und dem Detektor geringeren AbStandes und der Kollimation des letzteren.

Als Hinweis seien für eine Cäsium-137-Quelle die folgenden Daten genannt:

E₁ und E' zwischen I00 und 2oo KeV E_ zwischen 3oo und 360 KeV E_ und E¹ zwischen 45o und 600 KeV.

Die Wahl eines bestimmten Wertes innerhalb irgendeines dieser Bereiche ist nur eine Frage der Optimierung. Es kommt nämlich darauf an, daß für einen gegebenen Sondentyp die oben angegebenen fünf Werte derart einjustiert werden, daß man die bestmögliche Empfindlichkeit gegenüber Gammastrahlung erhält, die einer einzigen Compton-Streuung unterworfen wurde, gegenüber jener Strahlung, die mehr als einer unterworfen wurde und gegenüber jener, die nur durch den Compton-Effekt ges&wächt wurde.

Die Ausgänge der drei UND-Gatter 39, 41 und 46 werden an den Fernmeßsender 34 angelegt, der jeweils eine Zählung vornimmt und die sequentielle Übertragung der Zählraten über das Kabel 13 zur Oberflächeninstallation 14 bewirkt, wo ein Fernmeßempfänger 48 die Signale demultiplext und sie an den

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Eingang eines numerischen Rechners 49 anl/egt. Dieser hat die Aufgäbe, die Dichte der Formationen nahe dem Schlitten 17/ ausgehend von den Zählraten N_T , N_, und N* zu berechnen,

Jj C C

entsprechend den Impulsen, die von den UND-Gattern 46, 41 bzw. 39 geliefert wurden. Der komplizierte berechnete Dichtewert wird einem Aufzeichnungsgerät 5o zugeführt.

Bevor im einzelnen die Verarbeitung beschrieben wird, die der Rechner 49 bei den drei Zählraten N_T, N^ und N'_

Jj C U

durchführt, soll das Meßprinzip erläutert werden. Die Zählrate N-, gemessen von dem von der Quelle am weitesten entfernten Detektor im Energiefenster E¹ - E¹ ist, wie bereits angegeben, repräsentativ für Strahlung, deren Energie praktisch nur durch den Compton-Effekt beeinflußt wurde. Die Zählrate ist demgemäß nicht beeinflußt durch die mittlere Atomzahl des Milieus, sondern hängt einzig und allein von der Dichte ab. Da der Detektor 21 von der Quelle 19 relativ entfernt ist, sind die Gammastrahlen, die er empfängt, in der nahe gelegenen Formation gestreut, aber auch, wenn auch in viel kleinerem Maße, in dem Bohrspülungskuchen 15, der die Formation von dem Schlitten 17 trennt. Aus diesem Grunde ist die Dichte d_T,

die man aus der Zählrate N_x ableitet, nur ein angenäherter

Jj

Dichtewert der Formation, während der Fehler eine Funktion der Dicke und der Eigendichte der Schicht 15 ist.

Die Zählrate N-, gemessen von dem Detektor, der der Quelle am nächsten angeordnet ist, dient dazu, in einem ersten Schritt den Einfluß dieser parasitären Schicht zu kompensieren. Diese Zählrate ist repräsentativ für Gammastrahlung, die in dem dem Schlitten 17 relativ nahen Material gestreut worden ist. Da darüber hinaus die Strahlung in dem Energiefenster E» - E_ gemessen wird, mit dem die Gammastrahlung umfaßt wird, deren Energien nur ein einziges Mal durch den Compton-Effekt verringert worden sind, repräsentatiert sie die Materialdichte

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unmittelbar nahe dem Bohrloch, welche Materialien bekanntlich mindestens 3o mm vom Schlitten entfernt liegen. Es ist demgemäß möglich, wenn man die Dichte d_c entsprechend der Zählrate N berechnet, den Einfluß dieser Materialien auf die angenäherte Dichte d zu korrigieren, weichletztere

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abgeleitet wurde von der Zählrate, geliefert von dem von der Quelle am weitesten entfernten Detektor. Dies wird realisiert mit Hilfe einer Kurve, die experimentell ermittelt wurde, ausgehend von Messungen, durchgeführt mit Schichten bekannter Dicke und Dichte, und die in Abhängigkeit von der Differenz (d, - d,J den Fehler A d liefert, mit dem der angenäherte Dichtewert d behaftet ist. Diese Kurve hängt natürlich von den Detektoren und der Quelle ab, aber ihr allgemeiner Verlauf entspricht demgemäß Fig. 3. Um eine Bestimmung von d mit Hilfe des Rechners 49 zu ermöglichen, wird die Kurve abgetastet und gespeichert. Es genügt demgemäß, die Differenz d_ - d_ festzustellen und aus dem Speicher den zugeordneten Korrekturwert .Δ d abzurufen. Wie bereits angegeben, gestattet diese erste Korrektur eine Kompensation des Einflusses der Materialeigendichte nahe der Wandung, solange ihr Dicke nicht 3o mm übersteigt.

Die dritte Zählrate N' dient dann dazu, die Dichte dj. für Dicken parasitären Materials oberhalb 3o mm zu kompensieren. Diese Zählrate, ebenfalls gemessen durch den der Qudle nächstgelegenen Detektor, jedoch im Energiefenster E.- E₂ ist repräsentativ für Strahlen, die hauptsächlich durch Material nahe dem Bohrloch gestreut worden sind, deren Energien jedoch prinzipiell mehr als einmal durch den Compton-Effekt verringert worden sind. Aus diesem Grunde repräsentiert die Zählrate N'„ die Dichte der Materialien nahe der Bohrlochwandung, jedoch nicht unmittelbar an dem Schlitten, welche sich in der nicht durch die erste Kompensation über-

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deckten Region befinden. Eine Dichte d¹ wird demgemäß mittels der Beziehung berechnet:

d'_c = d"₀ + A" log N'_c

und verwendet für die zweite Kompensation. Diese wird realisiert mit Hilfe einer zweiten experimentellen Kurve, die in Funktion der Differenz d_, - d' den Fehler Δ d¹ liefert, mit dem die im ersten Schritt korrigierte Dichte behafte/t ist.

Diese Kurve, deren allgemeiner Verlauf in Fig. 4 wiedergegeben wird, wird koordinatenwertweise gespeichert. Es genügt demgemäß wie im vorigen Falle die Differenz d_ - d¹ zu berechnen, und aus dem Speicher den zugeordneten Korrekturwert I¹ zu entnehmen.

Die Dichte d, die schließlich als kompensierter Dichtewert der Formation aufgezeichnet wird, wird demgemäß berechnet durch die folgende Beziehung:

Durch dieses Verfahren der Doppelkompensation ist es möglich, den Einfluß der Eigendichte der Materialien nahe der Bohrlochwandung biszu einer Dicke von etwa 60 mm zu eliminieren, was einen Wert bedeutet, der die Mehrzahl schlechter Tonschichten überdeckt.

Es wird nun auf Fig. 5 eingegangen, die schematisch die verschiedenen Untergruppen des Rechners 49 darstellt, verwendet für die Bestimmung gemäß der gerade beschriebenen Technik, der Dichte d einer Formation, ausgehend von den drei Zählraten, die sequentiell an den Rechner 49 mittels des Demultiplex-

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Schaltkreises im Empfänger 48 angelegt werden. Der Rechnerblock 51 hat die Funktion, die angenäherte Dichte d_T zu berechnen und numerisch zu speichern, ausgehend von der Zählrate N . Die für diesen Zweck verwendete Formel ist d = d+ A log N₁/ in der d_o und A experimentell ermittelte und im numerischen Speicher 52 gespeicherte Konstanten sind. Der Rechnerblock 53 hat die Aufgabe, die Dichte d^ der sehr nahen Materialien zu berechnen und numerisch zu speichern, ausgehend von der Zählrate N... Die hier verwendete Formel ist d^, = d'_ + A'log(N_,/d_x) ,

C C U L· Jj

in der d' und A¹ experimentell ermittelte und im numerischen Speicher 54 gespeicherte Konstanten sind. Im Rechnerblock 55 wird die Differenz d¹ = (d - ä_n) gebildet und dann dem Rechner-

Jj U

block 55 zugeführt, der ausgebildet ist für die Ermittlung und numerische Speicherung des Korrekturterms ^Λ> d, ausgehend von Wertepaaren, die experimentell ermittelt und im Block 55 numerisch gespeichert sind.

Der Rechnerblock 57 hat die Aufgabe, die Dichte d* für die nahen Materialien zu berechnen und numerisch zu speichern/ ausgehend von der Zählrate N¹ . Die verwendete Formel für diesen Zweck ist d¹ = d" + A" log N¹ , in der d" und A" experimentelle im numerischen Speicher 5 8 aufbewahrte Konstanten sind. Im Rechnerblock 59 wird die Differenz d - d' gebildet und dann an den Rechnerblock 6oangelegt, der so ausgelegt ist, daß er den Korrekturterm Δ. d¹ bildet und numerisch speichert, ausgehend-von experimentell gebildeten Wertepaaren, gespeichert im Block 6o in numerischer Form. Die drei Werte d_T , Δ-d und Ad¹, die auf diese Weise ge-

Jj

wonnen werden und gespeichert wurden, werden an einen Addierschaltkreis 61 angelegt zum Erzeugen und - bis zum nächsten Meßarbeitsgang - Speichern des kompensierten Dichtewertes gemäß der Gleichung d = d + Ad+ /\d'. Dieser Wert wird dann im Aufzeichnungsgerät 5o in Funktion der Meßtiefe festgehalten .

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Es versteht sich, daß der Gegenstand der Erfindung nicht auf die hier allein beschriebene Ausführungsform beschränkt ist; er erstreckt sich gleichermaßen auf Varianten insgesamt oder eines Teiles der beschriebenen Anordnung innerhalb des Rahmens der Äquivalente. Insbesondere kann die Bestimmung der kompensierten Dichte der Formation, ausgehend von den drei gemessenen Zählraten, durch eine andere Verarbeitung dieser Informationen erfolgen.

(Patentansprüche)

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Claims

Patentansprüche 9 R Π Γ! R

1.] Verfahren zur Messung der Dichte einer von einem !ohrloch durchteuften geologischen Formation/ bei dem die Formation mit Gammastrahlung bestrahlt wird, eine erste Zählrate gemessen wird, erzeugt durch Strahlen, die hauptsächlich in der Formation gestreut wurden und deren Energien im allgemeinen durch den Compton-Effekt verringert worden sind, derart, daß ein Hauptsignal für die Berechnung eines angenäherten Dichtewertes erzeugt wird, und bei dem eine zweite Zählrate gemessen wird, erzeugt durch Strahlen, die hauptsächlich in dem Material sehr nahe dem Bohrloch gestreut worden sind und deren Energien im allgemeinen nur ein einziges Mal durch den Comtpon-Effekt verringert worden sind, derart, daß ein erstes Hilfssignal für die Berechnung einer ersten Dichtekorrektur erzeugt wird bezüglich dieser sehr nahen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus eine dritte Zählrate gemessen wird, erzeugt durch Strahlen, die hauptsächlich in den nahen Materialien des Bohrlochs gestreut worden sind und deren Energien im allgemeinen mehr als einmal durch den Compton-Effekt verringert worden sind, derart, daß ein zweites Hilfssignal für die Berechnung einer zweiten Dichtekorrektur bezüglich dieser nahen Materialien erzeugt wird, die weiter weg von der Bohrlochwandung liegen als die sehr nahen.

2. Verfahren zur Messung der Dichte einer geologischen Formation gemäß Anspruch 1, bei dem die angenäherte Dichte der Formation ausgehend von dem Hauptsignal berechnet wird, die Dichte der sehr nahen Materialien ausgehend von dem asten Hilfssignal berechnet wird, die Differenz zwischen den beiden so ermittelten Dichtewerten bestimmt wird, und in Abhängigkeit von dieser Differenz ausgehend von einer

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experimentell gewonnenen Beziehung der ersten Fehler bestimmt wird, mit dem der näherungsweise Formationsichtewert durch diese sehr nahen Materialien infolge deren Eigendichte behaftet ist, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus die Dichte der nahen Materialien ausgehend von dem zweiten Hilfssignal berechnet wird, die Differenz zwischen den beiden berechneten Dichtewerten der sehr nahen und der nahen Materialien des Bohrlochs bestimmt wird, daß in Funktion dieser Differenz ausgnend von einer zweiten experimentell ermittelten Beziehung der zweite Fehler bestimmt wird, mit dem diese nahen Materialien den Dichtenäherungswert behaften, und daß der Dichtenäherungswert und die ersten und zweiten Fehler kombiniert werden, um einen kompensierten Dichtewert zu erhalten, der schließlich als reeller Dichtewert der Formation angesehen wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, mit einer Gammastrahlenquelle für die Bestrahlung der Formation, einem ersten Gammastrahlendetektor, der in relativ großem Abstand von der Quelle derart angeordnet ist, daß er im wesentlichen in der Formation gestreute Strahlung auffängt, mit einem zweiten Gammastrahlendetektor in relativ geringem Abstand von der Quelle, der derart angeordnet ist, daß er hauptsächlich Strahlung auffängt, die in den nahe der Bohrloch liegenden Materialien gestreut worden ist, mit einem ersten Schaltkreis für die Messung der Zählrate der Ausgangsimpulse des ersten Detektors in einem Fenster, das die Strahlen umfaßt, deren Energie hauptsäctiich durch den Compton-Effekt verringert worden ist, um so ein Hauptsignal zu erzeugen, das die Berechnung der Dichte näherungsweise gestattet, und mit einem zweiten Schaltkreis für die Messung der Zählrate der Ausgangsimpulse des zweiten Detektors in einem Fenster, das Strahlung umfaßt, deren Energie im wesentlichen nur einmal

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durch den Compton-Effekt verringert worden ist, derart, daß das erste Hilfssignal erzeugt wird für die Berechnung einer Dichtekorrektur bezüglich der Materialien unmittelbar an der Bohrlochwandung, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung des zweiten Hilfssignals für die Berechnung der Dichtekorrektur bezüglich Materialien nahe, aber nicht unmittelbar nahe der Bohrlochwandung ein dritter Schaltkreis vorgesehen ist für die Messung der Zählrate von Ausgangsimpulsen des zweiten Detektors in einem Fenster, das Strahlung umfaßt, deren Energie im allgemeinen mehr als einmal durch den Compton-Effekt verringert worden ist.

4. Anordnungnach Anspruch 3 mit Schaltkreisen für die Berechnung der Formationsdichte, korrigiert bezüglich der Dichte der unmitelbar nahe der Bohrlochwandung liegenden Materialien mit Rechnerschaltkreisen für die angenäherte Formationsdichte ausgehend von der Impulszählrate, die von dem ersten Zählratemeßschaltkreis bestimmt wordenist, mit Rechnerschaltkreisen für die Dichte der Materialien sehr nahe der Bohrlochwandung, ausgehend von der Impulszählrate, gemessen von dem zweiten Impulsratemeßschaltkreis, mit Rechnerschaltkreisen für die Bestimmung, ausgehend von einer ersten experimentell gewonnenen Beziehung, in Funktion der Differenz zwischen dem angenäherten Dichtewert und der Dichte der sehr nahen Materialien einer ersten Korrektur, die bei dem angenäherten Formationsdichtewert vorzunehmen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung eines vollständig bezüglich der Materialien, die sehr nahe und nahe der Bohrlochwandung liegen, kompensierten DichtesLgnals darüber hinaus vorgesehen sind: Schaltkreise für die Berechnung der Dichte der der Bohrlochwandung nahen, jedoch nicht unmittelbar anliegenden Materialien, ausgehend von der Impulszählrate, geliefert von dem dritten Impulsratemeßschaltkreis, Rechnerschaltkreise für die Bstimmung, ausgehend von einer zweiten experimentell gewonnenen Beziehung,

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in Funktion der Differenz zwischen den Dichten der nahen und •sehr nahen Materialien eines zweiten Korrekturwertes, dem der' näherungsweise Dichtewert zu unterwerfen ist, und mit Rechnerschaltkreisen für die Berechnung der kompensierten Formationsdichte, ausgehend von dem Dichtenäherungswert und dem ersten und dem zweiten Korrekturwert.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der die Zählraten,geliefert von den ersten, zweiten und dritten Zählratemeßschaltkreisen, jeweils mit N_T, N_ bzw. N' bezeichnet sind, und wobei die

Jj O C

REchnerschaltkreise für die Ermittlung des Formationsdichtenäherungswertes d_T so ausgebildet sind, daß die Beziehung d_T = d_. + A log N_x gelöst wird, wobei die Ausdrücke d_ und A

Jj U Jj U

experimentell bestimmte Konstanten sind, die Rechnerschaltkreise für die Bestimmung der Dichte d_c derbohrlochwandung sehr nahe liegenden Materialien ausgebildet sind für die Lösung der Beziehung d„ = d' + A¹log (N^/d_T), worin die Ausdrücke

L-U U Jj

d' und A¹ experimentell bestimmte Konstanten sind, und die Rechnerschaltkreise für die Erzeugung des ersten Korrekturausdruckes mit den Signalen d_ und d beaufschlagt sind und

J_l C

ein Signal A d erzeugen, definiert durch ein experimentell gewonnenes Gesetz Δ-d = f (d -d_,) , dadurch gekennzeichnet,

L v_

daß zwecks Erzeugung eines Dichtesignals, das gleichzeitig bezüglich der der Bohrlochwandung sehr nahen und ihr nur nahen Materialien kompensiert sind, die Anordnung umfaßt: Rechnerschaltkreise für die Bestimmung der Dichte d' der der Bohrlochwandung nahen Materialien, ausgebildet für die Lösung der Beziehung d' = d" + A" log N' ,, worin dieAus-

OU C

drücke d" und A" experimentell bestimmte Konstanten sind, Rechnerschaltkresise für die Erzeugung eines zweiten Korrekturausdrucks für die Dichte, welche beaufschlagt sind mit dem Signal d_n und dem Signal d¹ und ein Signal A d¹ erzeugen, definiert durch ein experimentell gewonnenes Gesetz

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L· d¹ = f(d - d'_) , und Rechnerschaltkreise für die Ermittlung der kompensierten Formationsdichte, ausgebildet für die Lösung der Beziehung d=d_T + ^d + -^d¹.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß für die Erzeugung des Hauptsignals der Hilfssignale die ersten, zweiten und dritten Zählratemeßschaltkreise jeweils ausgebildet sind für die Lieferung von Impulszählraten, deren Amplituden Energien entsprechen zwischen einer ersten Untergrenze E^ und einer ersten Obergrenze E'_ , einer zweiten Untergrenze E₁ und einer Zwischengrenze E^ bzw. zwischen dieser Zwischengrenze E„ und einer zweiten Obergrenze E_, wobei diese Energiegrenzwerte die folgenden sind:

1oo C und E¹ < keV 3oo <ς < keV 45o ^ und E¹ 3 * keV ~ ^E1 \ 2oo 2 ^ 36o ^ 6oo

und daß die Strahlungsquelle Cesium 137 ist.

7. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Sensibilisierung nur bezüglich sehr nahe der Bohrlochwandung bezw. nahe der Bohrlochwandung liegender Materialien der zweite Detektor am Boden einer Kollimationsöffnung anogeordnet ist, die in Richtung auf die Quelle in einem Winkel von etwa 45° geneigt verläuft.

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