DE2625343A1 - Verfahren und anordnung zur ausfuehrung von messungen an schichtengebilden - Google Patents
Verfahren und anordnung zur ausfuehrung von messungen an schichtengebildenInfo
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Description
Dr.D.Thomsen
&
W.Weinkauff
W.Weinkauff
F5ATENTANWALTSBuRO Telefon (089)530211
630212 Telegramm-Adresse Cable address
expertia
MQnchen:
Dr. rer. nat. D. Thomson
Dipl.-lng. W. Weinkauff (Fuchshohl 71)
8000 München Kaiser-Ludwig-Platz 6 4. Juni 1976
Mobil Oil Corporation New York, N.Y.,USA
Verfahren und Anordnung zur Ausführung von Messungen an Schichtengebilden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausführung von Nessungen an Schichtengebilden, die von einem Bohrloch durchzogen
sind.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung zur Differenzierung, d.h.
Unterscheidung zwischen öl tragenden und Salzwasser tragenden Zonen
in unter der Erdoberfläche befindlichen Schichtengebilden, die ein Bohrloch umgeben, sowie zur Bestimmung der ölsättigung einer
identifizierten, Öl tragenden Zone.
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Bei der Neutronen-Neutronen-Messung bestrahlt eine stabile Quelle einer Primärstrahlung die ein Bohrloch umgebenden Schichtengebilde
mit Neutronen. Die resultierende Sekundärstrahlung kann durch Detektoren gemessen werden, die axial gegenüber
der Neutronen-Quelle im Bohrloch unter Einhaltung eines Abstands angeordnet sind. Die resultierende Sekundärstrahlung
enthält epithermische, d.h. energiereiche Neutronen, thermische Neutronen und Gammastrahlen, welche thermische Neutronen einfangen.
Für eine Punktquelle in einem unendlichen, homogenen Medium läßt sich die Sekundärstrahlung folgendermaßen ausdrücken:
Q Lt 2 f e-r/L e e-r/Lt \
#t(r) —
(1)
4TTDt(Le 2-Lt2) Vr r /
hierbei sind:
<£ der Fluß der thermischen Neutronen,
r der radiale Abstand zur Neutronenquelle,
Q die Stärke der Punkt-Neutronenquelle,
D der Diffusionskoeffizient der thermischen Neutronen,
L der Paramter für epithermische Neutronen (Bremslänge)#
L der Parameter für thermische Neutronen (Diffusionslänge).
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Der Parameter L für epithermische Neutronen für ein Schichtengebilde wird grundsätzlich durch die Konzentration
an Wasserstoff im Schichtengebilde bestimmt, wobei der Wasserstoffgehalt auf die Porosität des Schichtengebildes bezogen
ist. Das Vorliegen von Öl oder Salzwasser in den Porenräumen des Schichtengebildes hat nur geringe oder gar keine Wirkung
auf die Porosität. Demzufolge hat das Vorliegen von Ul oder Salzwasser in dem Schichtengebilde geringe oder gar keine
Auswirkung auf die Zahl der epithermischen Neutronen, die als Sekundärstrahlung zum Bohrloch zurückkehren.
Der Parameter L des Schichtengebildes für thermische
Neutronen wird andererseits durch das Vorhandensein von Öl oder Salzwasser beeinflußt und bedeutsam reduziert, wenn die Porenräume
des Schichtengebildes Salzwasser anstelle von Öl enthalten. Das im Salzwasser vorhandene Chlor besitzt für thermische
Neutronen einen großen Absorptionsquerschnitt und reduziert demzufolge die Zahl der thermischen Neutronen, die zum Bohrloch
als Sekundärstrahlung zurückkehren. Gleichzeitig bewirkt das Einfangen von thermischen Neutronen durch Chlor eine Zunahme
der Zahl an Gammastrahlen, die thermische Neutronen einfangen und als Sekundärstrahlung zum Bohrloch zurückkehren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung zur Ausführung von
Messungen an Schichtengebilden zu liefern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.
Gemäß der Erfindung wird eine stabile Quelle einer Primärstrahlung
in einem Bohrloch angeordnet, um die das Bohrloch umgebenden Schichtengebilde mit schnellen Neutronen zu bestrahlen.
Ein erstes Detektorpaar ist an Positionen im Bohrloch angeordnet, die Abstand zur Neutronenquelle aufweisen und mißt die
Sekundärstrahlung, die vorwiegend durch die epithermischen Neutronen-Parameter des Schichtengebildes beeinflußt wird . Ein
zweites Detektorpaar, das an Abstand zur Neutronenquelle einhaltenden Positionen im Bohrloch angeordnet ist, mißt die Sekundärstrahlung,
die von den epithermischen und thermischen Neutronen-Parametern des Schichtengebildes beeinflußt wird. Von den Meßergebnissen
des ersten Detektorpaares wird ein Verhältniswert als Anzeige für die Porosität des Schichtengebildes gebildet. Von den Meßergebnissen
des zweiten Detektorpaares wird ein Verhältnis gebildet, welches eine Anzeige sowohl für die Porosität wie auch für den makroskopischen
Absorptions- oder Einfangsquerschnitt des Schichtengebildes liefert. Eine Erhöhung der Differenz zwischen den beiden Ver-
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höltnissen bei einer gegebenen Tiefe zeigt eine Änderung von
einer Öl tragenden Zone in eine Salzwasser tragende Zone im Schichtengebilde bei dieser Tiefe an, während eine Abnahme
der Differenz verdeutlicht, daß eine Änderung von einer Salzwasser tragenden Zone in eine Öl tragende Zone vor sich
Das erste Detektorpaar mißt insbesondere die Intensität der epithermischen Neutronen, die von dem Schichtengebilde
zum Bohrloch zurückkehren. Das zweite Detektorpaar kann die Intensität entweder der thermischen Neutronen oder der Gammastrahlen,
welche thermische Neutronen einfangen, messen, welche jeweils zu dem Bohrloch vom Schichtengebilde her zurückkehren.
Ferner kann eine Differenz zwischen den beiden Verhältnissen durch bekannte Faktoren für die makroskopischen Absorptionsbzw. Einfangsquerschnitte für Gestein, Öl und V/asser des Schichtengebildes
korrigiert werden, um eine Anzeige für den Wert der ülsättigung in der identifizierten, Öl tragenden Zone zu liefern.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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• Fig. 1 eine Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in einem Bohrloch und
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Charakteristiken
von Beispielen an unterirdischen Schichtengebilden, die sich bei einer Messung mit dem System nach
Fig. 1 ergeben können.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung für eine Neutronen-Neutronen-Messung zur Differenzierung
von öl enthaltenden Zonen gegenüber Salzwasser tragenden Zonen in einer unter der Erdoberfläche befindlichen Formation.
Gemäß Fig. 1 weist ein Heßgerät 10 für ein Bohrloch
eine stabile Neutronenquelle Π zur Bestrahlung der Formationen, zwei Abstand zueinander aufweisende Detektoren 12 und 13 für
thermische Neutronen sowie zwei Abstand zueinander einhaltende Detektoren 14 und 15 für epithermische oder energiereiche Neutronen
auf. Die Neutronenquelle 11 ist vorzugsweise eine stabile Am-Be-Quelle für schnelle Neutronen mit einer mittleren Energie
von etwa 4MeV. Die Detektoren 12 und 13 für thermische Neutronen können Proportionalzähler solcher Art sein, wie sie in der
US-PS 3 102 198 beschrieben sind und die mit 6atm Helium-3-Gas
gefüllt sind. Detektoren dieser Art sind hinsichtlich thermischer
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Neutronen sehr empfindlich. Eine Abschirmung 43 schützt die Detektoren 12 und 13 gegenüber einer direkten Neutronenstrahlung
von der Neutronenquelle 11. Die Detektoren 14 und 15 für energiereiche
Neutronen können ähnliche Proportionalzähler sein, wie die Detektoren 12 und 13 und enthalten eine Kadmium-Abschirmung,
damit thermische Neutronen daran gehindert werden, das aktive Volumen der Detektoren zu erreichen. In dem Bohrloch-Meßgerät 10
befindet sich eine Speisequelle 16 zur Lieferung einer Energie zu den Detektoren 12 bis 15 mit Hilfe einer Leitung 17. Mittels
Leitungen 18 wird ein Strom zu der Speise- oder Energiequelle 16 geführt. Die Ausgänge der Detektoren 12 bis 15 für thermische
Neutronen werden in Verstärkern 19 bis 22 verstärkt, die ihrerseits mit Leitungen 23 bis 26 verbunden sind, wobei diese Leitungen
in dem Kabel 47 enthalten sind. An der Oberfläche werden die Ausgänge der Leitungen 23 bis 26 durch Schleifringe 27 und Bürsten
28 an Leitungen oder Leiter 29 bis 32 weitergeleitet, die zu Verstärkern 33 bis 36 führen. Die Ausgänge der Verstärker 33 und
werden an Meßgeräte 37 und 38 für die Zählrate der thermischen Neutronen angelegt, während die Ausgänge der Verstärker 35 und
an die Zählgeschwindigkeitsmesser 39 und 40 für die epithermischen Neutronen angelegt werden.
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DieAusgänge der Zählgeschwindigkeitsmesser 37 und 38 für die thermischen Neutronen werden an einen Verhältnisdetektor
41 angelegt, während die Ausgangssignale der Meßgeräte 39 und 40 an einen Verhältnisdetektor 42 angelegt werden. Die Verhältnisdetektoren 41 und 42 können bekannter Art sein, wie beispielsweise
auf den Seiten 338 und 339 in "ELECTRONIC ANALOG COMPUTERS, Gravino A. Korn und Theresa M. Korn, McGraw-Hill Book Company,
Inc., New York,1956 " beschrieben ist.
Dadurch, daß das Verhältnis der Zählgeschwindigkeiten der beiden Detektoren für epithermische Neutronen erfaßt wird,
wird ein Signal erhalten, welches hauptsächlich den Änderungen der Porosität -p der gegebenen Formation entspricht. Indem
ferner das Verhältnis der Zählraten der beiden Detektoren für thermische Neutronen aufgenommen wird, erhält man ein Signal,
welches vorwiegend den Änderungen sowohl in der Porosität *f
als auch bezüglich des makroskopischen Absorptionsquerschnitts S der gegebenen Formation bzw. Schichtenbildung entspricht. Es wurde
festgestellt, daß die Salzhaltigkeit des Fluids, d.h. der Flüssigkeit in dem Schichtengebilde den makroskopischen Absorptionsquerschnitt
des Schichtengebildes bzw. der Schichtenbildung beeinflußt, jedoch keine Wirkung auf die Porosität des Schichtengebildes
beinhaltet. Demzufolge wird durch den Vergleich der
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Signale der beiden Verhältnisdetektoren 41f42 eine Anzeige jedes
Mal dann erhalten, wenn sich eine Änderung in der Salzhaltigkeit der Flüssigkeit in dem Schichtengebilde ergibt. Insbesondere
wenn die Poren des Schichtengebildes Salzwasser anstelle von Öl enthalten, verstärkt sich das Signal des Verhältnisdetektors
41, während das Signal des Verhältnisdetektors 42 hinsichtlich
einer gegebenen Porosität des Schichtengebildes unverändert bleibt.
Dieser Effekt ist in Fig. 2 dargestellt. Das Zählgeschwindigkeitsverhältnis
für epithermische Neutronen ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt, während das Zählgeschwindigkeitsverhältnis
für thermische Neutronen durch eine voll ausgezeichnete Linie wiedergegeben ist. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß sich das
Zählgeschwindigkeitsverhältnis für thermische Neutronen erhöht, wenn sich die Flüssigkeit im Schichtengebilde von Öl
in Salzwasser ändert, wobei jedoch das epithermische Neutronen-Zählgeschwindigkeitsverhältnis
unverändert bleibt. Die Größe der Differenz zwischen den beiden Verhältnissen erhöht sich
weiterhin, wenn die Porosität des Schichtengebildes zunimmt; Fig. 2 zeigt Beispiele für eine Porosität von 10 %, 20$ und
30 % bei einem Kalkstein-Schichtengebilde.
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An die Ausgänge der Detektoren 41 und 42 ist ein
Recorder oder ein Aufzeichnungsgerät 44 angeschlossen. Ein solches Aufzeichnungsgerät kann ein Aufzeichnungsgerät mit kontinuierlicher
Aufzeichnung sein, dessen Diagramm kontinuierlich in Korrelation zur Tiefe mittels einer mechanischen Verbindung
45 und einer mit dem Kabel 47 gekuppelten Meßrolle aufgezeichnet wird. Das Kabel 47 wird auf eine Trommel 48 aufgewickelt bzw.
von dieser Trommel abgewickelt, wobei die Trommel 48 mit einem Motor 49 über eine mechanische Verbindung 50 in Verbindung steht,
um das Meßgerät 10 durch das Bohrloch zu bewegen. Das Signal des Verhältnisdetektors 41 wird als Spur 51 aufgezeichnet,
während das Verhältnissignal des Detektors 42 als Spur 52 aufgezeichnet wird, wenn das Meßgerät 10 kontinuierlich durch
das Bohrloch hindurch bewegt wird.
Durch Aufzeichnung der Ausgangssignale der Detektoren 41 und 42 als kontinuierliche Spuren 51 und 52 lassen sich
leicht Änderungen in der Differenz zwischen den Signalamplituden dieser Detektoren beobachten und dadurch die öl tragenden Zonen
von den Salzwasser tragenden Zonen in dem Schichtengebilde voneinander differenzieren, welches das Bohrloch umgibt, da die
Größe dieser Differenz wesentlich größer für eine Salzwasser tragende Zone als für eine Öl tragende Zone ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Signale der beiden Detektoren 41 und 42 an einen Komparator
53 angefegt, der so geeicht ist, daß er ein Ausgangssignal liefert, welches die Ölsättigung wiedergibt, d.h. den volumenmäßigen
Anteil des Fluids in dem unterirdischen Schichtengebilde, welches mit Öl versetzt ist. Theoretisch läßt
sich der Öl-Sättigungsgrad durch folgende Gleichungen ausdrücken:
• Schichtengebilde = ^Gestein ^1"^' + Fluid ^ (2)
Fluid = Öl SÖ1 + Ifasser S
fasser SWasser (3)
01 Wasser
wobei J-E den makroskopischen Absorptionsquerschnitt,
S die Sättigung (oder den Volumenanteil des speziellen
Fluids an Ort und Stelle) und φ Porosität
darstellen.
Durch Einsetzen der Gleichung (2) in den Gleichungen (3) und (4) läßt sich die Öl-Sättigung Sw. folgendermaßen darstellen:
Gestein ^1 "^ * Wasser^" Schichtengebilde 01 = ^Wasser" 2Ol >
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Von den fünf Variablen auf der rechten Seite der Gleichung (5), die zur Festlegung des Öl-Sättigungsgrades S«. benötigt werden,
sind die makroskopischen Absorptionsquerschnitte für Ge-
stein( £n , . ), Öl ( Σ.. ) und Wasser ( Σ,. ) aus Laborv
Gestein7' N 01' x Wasser'
experimenten bekannt. Die übrigen beiden Variablen, nämlich die
Porosität {>f) und der makroskopische Absorptionsquerschnitt
des Schichtengebildes ( <L , . , . , ., , ) werden durch Signale
der Verhältnisdetektoren 41 und 42 dargestellt. Ersichtlicherweise kann der Komparator 53 in Ausdrücken der experimentell bestimmten
Vierte für die makroskopischen Absorptionsquerschnitte von Felsen bzw. Gestein, Öl und Wasser geeicht sein, so daß er ein Ausgangssignal
S^1 abgibt, welches die Öl-Sättigung in dem gemessenen
unterirdischen Schichtengebilde anzeigt.
Der Komparator 53 weist vorteilhafterweise wenigstens einen Operationsverstärker auf, welchem die Signale vom Detektor
41 und 42 zugeleitet werden. Rückkopplungs- und Vorwiderstände werden so gewählt, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
auf die experimentell bestimmten Werte der makroskopischen Absorptionsquerschnitte im Gestein, Öl und Wasser geeicht ist.
Bei einem derartigen Aufbau legt der Komparator 53 die Relativwerte der Signale von den Detektoren 41 und 42 fest und liefert
ein Ausgangssignal S«., welches die Ölsättigung darstellt.
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Bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten AusfUhrungsform
der Erfindung sind die Detektoren 12 und 13 Detektoren für thermische Neutronen, die zur Erfassung der Sekundärstrahlung
benutzt werden, welche vorwiegend die Parameter der thermischen Neutronen des Schichtengebildes darstellt, welches gemessen bzw.
ausgemessen wird. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann diese Art an Sekundärstrahlung durch die Verwendung von Gammastrahlendetektoren
erfaßt werden, welche die von dem Schichtengebilde abgestrahlten Gammastrahlen messen, welche thermische
Neutronen einfangen. Die Messung der Sekundärstrahlung, welche vorwiegend die Parameter für die thermischen Neutronen des Schichtengebildes
repräsentieren, kann entweder durch Erfassung der thermischen Neutronen oder durch Erfassung der die thermischen Neutronen einfangenden
Gammastrahlen ausgeführt werden.
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Claims (10)
1. Verfahren zur Ausführung von Messungen an Schichtengebilden, die von einem Bohrloch durchzogen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß eine stabile Quelle mit einer Primärstrahlung in dem Bohrloch angeordnet wird, um die Schichtengebilde mit schnellen Neutronen
zu bestrahlen,
daß an ersten und zweiten, Abstand zueinander aufweisenden Positionen in dem Bohrloch eine Sekundärstrahlung gemessen wird,
welche vorwiegend die Parameter für epithermische Neutronen des Schichtengebildes darstellt, an welchem Messungen ausgeführt werden,
daß an dritten und vierten Positionen in dem Bohrloch, die Abstand zueinander aufweisen, eine Sekundärstrahlung gemessen
wird, welche die Parameter der epithermischen und thermischen Neutronen des Schichtengebildes darstellt, an welchem Messungen
ausgeführt werden,
daß ein erstes Verhältnis der Sekundärstrahlung hervorgerufen wird, die an den ersten und zweiten, Abstand zueinander aufweisenden Positionen gemessen wird, wobei das erste Verhältnis
vorwiegend die Porosität des Schichtengebildes anzeigt, und
daß ein zweites Verhältnis der Sekundärstrahlung hervorgerufen
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wird, die an den dritten und vierten, Abstand zueinander aufweisenden
Positionen gemessen wird, wobei das zweite Verhältnis vorwiegend die Porosität und den makroskopischen Absorptionsquerschnitt
des Schichtengebildes angibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und zweite Verhältnis in Korrelation zur Meßtiefe im Bohrloch aufgezeichnet wird, daß eine Vergrößerung der
Differenz zwischen den aufgezeichneten Verhältnissen bei einer gegebenen Tiefe eine Änderung von einer Öl tragenden Zone auf
eine Salzwasser tragende Zone im Schichtengebilde anzeigt, während eine Abnahme der Differenz zwischen den aufgezeichneten
Verhältnissen bei einer gegebenen Tiefe eine Änderung von einer Salzwasser tragenden Zone auf eine Öl tragende Zone im Schichtengebilde
anzeigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Sekundärstrahlung, die vorwiegend die Parameter
für die epithermischen Neutronen darstellt, die Lieferung von Zählgeschwindigkeiten der epithermischen Neutronen umfaßt,
welche die erste und zweite Position erreichen.
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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Messung der Sekundörstrahlung, welche die Parameter sowohl für die epithermischen wie auch für die thermischen
Neutronen darstellt, Zählgeschwindigkeiten für die thermischen Neutronen geliefert werden, welche die dritte und vierte Position
erreichen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der Sekundärstrahlung, welche die Parameter
für die epithermischen und thermischen Neutronen repräsentiert, Zählgeschwindigkeiten für die thermische Neutronen einfangenden
Gammastrahlen geliefert werden, welche die dritte und vierte Position erreichen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Signal erzeugt wird, welches die Differenz zwischen den ersten und zweiten Verhältnissen angibt, und daß das Differenzsignal
durch bekannte Faktoren für die makroskopischen Absorptionsquerschnitte von Gestein, öl und Wasser in dem Schichtengebilde
korrigiert wird, wodurch eine Anzeige für die Ölsättigung in der Öl tragenden Zone des Schichtengebildes, an welchem
die Messung ausgeführt wird, geliefert wird.
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7. Anordnung zur Ausführung von Messungen an Schichtengebilden, die von einem Bohrloch durchsetzt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Bohrloch-Meßgerät (ΙΟ), eine Einrichtung
(47,48,49,50) zur Bewegung des Meßgerätes (10) durch ein Bohrloch sowie eine in dem Meßgerät befindliche stabile Quelle
(11) für schnelle Neutronen vorgesehen sind, wobei letztere Neutronen-Quelle
die das Bohrloch umgebendenSchichtengebilde mit Neutronen bestrahlt, daß in dem Meßgerät ein Paar von Detektoren
(12,13) für thermische Neutronen angeordnet ist, die Abstand zu der Neutronenquelle (11) aufweisen, daß das Meßgerät Detektoren
(14,15) für epithermische Neutronen enthält, die unter Einhaltung
eines Abstands zur Neutronen-Quelle vorgesehen sind, daß jeweils eine Einrichtung (41,42) zur Lieferung eines Verhältnisses
für die Zahl der thermischen und epithermischen Neutronen vorgesehen sind, die von den zugeordneten Detektoren für thermische
bzw. epithermische Neutronen gemessen wird, und daß eine Einrichtung (53) zur Kombination der Verhältniswerte vorgesehen ist,
um eine Unterscheidung zwischen öl tragenden Zonen und Salzwasser tragenden Zonen des Schichtengebildes zu liefern, an dem die Messung
ausgeführt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verhältnisse kombinierende Einrichtung (53) ein Auf-
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Zeichnungsgerät zur Erzeugung kontinuierlicher Aufzeichnungen der Verhältnisse in seitlich nebeneinander liegender
Beziehung und in Korrelation zur Tiefe enthält.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kombination der Verhältnisse einen Komparator
(53) zur Lieferung eines Signals, welches die Differenz zwischen den Verhältnissen angibt, sowie eine Einrichtung zur Korrektur
der Differenz für die Ergebnisse der makroskopischen- Absorptionsquerschnitte für Gestein, Öl und Wasser im Schichtengebilde enthält,
wobei das korrigierte Signal eine Anzeige für die Ölsättiguhg des Schichtengebildes liefert.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Neutronen-Quelle (11) Neutronen mit einer mittleren Energie von wenigstens 4 MeV erzeugt.
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