DE2650344A1

DE2650344A1 - Verfahren zur ermittlung und quantitativen messung von durch perforationen in ein produktionsbohrloch eintretendem wasser

Info

Publication number: DE2650344A1
Application number: DE19762650344
Authority: DE
Inventors: Dan Mccay Arnold
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-11-03
Publication date: 1977-05-12
Also published as: BR7607261A; YU268876A; GB1505437A; CA1070031A; ZA765954B; AR228556A1; NO763531L; MX3939E; US4032781A; AU505022B2; AU1919776A; RO75886A

Description

Dr. Gerhard Schupfner 27. Oktober 1976

Patentassessor ~ T 76 031 (D.74,198-F)

Deutsche Texaco A.G. 9
Mittelweg 180
2000 Hamburg 13

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION

135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017

(V.St. v. A.)

VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG UND QUANTITATIVEN MESSUNG VON DURCH PERFORATIONEN IN EIN PRODUKTIONSBOHRLOCH EINTRETENDEM WASSER

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Bohrlochmeßverfahren und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung und quantitativen Messung von durch Perforationen in ein Produktionsbohrloch eintretendem Wasser an einem mit einer Verrohrung bekannter Größe versehenen Bohrloch, wobei die Perforationen in mehreren gegenseitige Abstände aufweisenden Perforationsgruppen angeordnet sind, durch welches außerdem auch das Vorhandensein unerwünschter Wasserströmungen in Hohlräumen oder Kanälen der die Stahlverrohrung des Bohrlochs umgebenden Zementhülle feststellbar ist.

Unerwünschte Verbindungswege für Flüssigkeit entlang verrohrter Bohrlochabschnitte zwischen produzierenden Gesteinsoder Erdformationen stellen bereits seit langem ein Problem bei der Erdölgewinnung dar. Wenn Frischwasser oder Salzwasser aus einer einer erdölführenden Sandschicht benachbarten wasserführenden Sandschicht zuströmt, kann es vorkommen, daß das durch die Bohrung gewonnene Erdöl einen so hohen Wasseranteil aufweist, der die weitere Gewinnung unwirtschaftlich macht. In entsprechender Weise kann das Eindringen von Salzwasser in Trink- oder Brauchwasserbrunnen geringerer Fördertiefe dazu führen, daß das geförderte Wasser ohne

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Zwischenschaltung einer aufwendigen Reinigung für menschlichen Verbrauch unbrauchbar wird.

In beiden Fällen hat die Erfahrung in vielen Jahren gezeigt, daß die Verunreinigung von Trinkwasservorräten oder produzierender Erdölsande in vielen Fällen auf einen unerwünschten Wasserzufluß aus benachbarten Sandschichten zurückzuführen ist, wobei dieses Wasser durch den Ringraum zwischen der Stahlverrohrung, durch welche die Wände des Bohrlochs an einem Einfallen gehindert werden, und der Bohrlochwandung nach unten zuströmt. Die normalerweise für diese Zwecke verwendete Stahlverrohrung wird in der Regel im Bohrloch einzementiert. Wenn die nach Fertigstellung der Bohrung erfolgende Zementierung gründlich und einwandfrei ausgeführt wird, ergeben sich keine Probleme aufgrund Flüssigkeitsverbindungswegen zwischen produzierenden Zonen oder Schichten. In manchen Gebieten der Welt erfolgt jedoch die Erdölförderung aus sehr locker verfestigten, hochdurchlässigen Sandschichten, die auch bei einwandfreier Zementierung zu einem späteren Zeitpunkt im Bereich des Bohrlochs zusammenfallen können. Dadurch kann Wasser aus einem benachbarten wasserführenden Sand an der Außenseite der Zementhülle entlang in die Produktionszone gelangen. Das„Problem unerwünschter Flüssigkeitsverbxndungen stellt sich auch dann, wenn die Primärzementierung durch um diese herum auftretende Flüssigkeitsbewegungen Schaden nimmt. Auch bei im allgemeinen einwandfreier Zementierung kann es vorkommen, daß sich in Längsrichtung der Zementhülle Längskanäle oder Hohlräume ausbilden, durch welche hindurch Flüssigkeitsverbxndungen zwischen benachbarten wasserführenden Sanden und der Produktionszone entstehen können.

Eine weitere Ursache unerwünschter Flüssigkeitsverbxndungen entlang dem Bohrloch zwischen produzierenden ölschichten und benachbarten wasserführenden Sanden ist der sogenannte "Mikroringraum" zwischen Verrohrung und Zementhülle. Diese Er-

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scheinung ist darauf zurückzuführen, daß beim Eindrücken von Zement vom unteren Ende der Verrohrung aus in den Ringraum zwischen der Verrohrung und den Formationen (oder auch beim Zementeindrücken durch Perforationen hindurch) die Verrohrung üblicherweise unter einem hohen hydrostatischen Druckgefälle steht, aufgrund dessen der Zement in diesen Ringraum gedrückt wird. Dieser hohe Druckunterschied kann eine Ausdehnung der Verrohrung zur Folge haben. Bei Förderung herrscht dieser Druck nicht mehr, so daß sich die gedehnte Verrohrung wieder zusammenzieht und sich dabei von der sie umgebenden Zementhülle löst, welche den Ringraum zwischen Verrohrung und Formationen ausfüllt. Bei diesem Zusammenziehen der Verrohrung entsteht ein Hohlraum zwischen der Verrohrung und der Zementhülle, welcher auch als Mikroringraum bezeichnet wird. Wenn die Verrohrung bei der Zementierung verhältnismäßig stark gedehnt worden ist (wie z.B. in einem sehr tiefen Bohrloch, das unter einen hohen hydrostatischen Druck gesetzt werden muß), bildet die Verrohrung beim Zusammenziehen und Ablösen von der Zementhülle einen Mikroringraum ausreichender Breite, durch den Flüssigkeit aus benachbarten wasserführenden Sanden zu den produzierenden Perforationen gelangen und damit einen unerwünschten Wasserzufluß ermöglichen kann.

Es sind bereits viele Versuche unternommen worden, Lage und Größe in der Zementhülle vorhandener oder entstehender Kanäle zu ermitteln. Weiterhin ist auch bereits versucht worden, die sich aus den sogenannten Mikroringräumen ergebenden Probleme zu lösen. Die bekannten Verfahren gehen dabei in erster Linie von akustischen Bohrlochmeßverfahren aus, mit denen die Verbindung zwischen Verrohrung und Zementhülle untersucht wird. Bei diesen Meßverfahren wird die Amplitude der von einem Schallsender abgestrahlten Schallenergie, die sich entlang der Verrohrung fortpflanzt, von einem oder mehreren Schallempfängern aufgefangen und untersucht. Das Prinzip dabei besteht darin, daß bei fester Bindung zwischen Verrohrung und Zementhülle und den Formationen die sich entlang der Ver-

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rohrung fortpflanzende Schallenergie von der Verrohrung nach außen in die Zementhülle und die diese umgebenden Formationen abgestrahlt werden sollte, so daß dementsprechend die Amplitude des Verrohrungssignals verringert ist. Wenn jedoch die Bindung zwischen Verrohrung und Zementhülle oder zwischen dieser und den umgebenden Formationen nur mangelhaft ist, ist ein Zwischenraum vorhanden, so daß die Schallenergie innerhalb der Verrohrung zurückgehalten werden und daher mit wesentlich höherer Amplitude an den Schallempfängern ankommen sollte als wenn eine gute Zementbindung zwischen Verrohrung, Zementhülle und Formationen besteht.

Die Prüfung der Zementbindung vermittels Schallwellen gestattet jedoch nicht immer die zuverlässige Entdeckung eines vorhandenen Mikroringraums, der unter entsprechenden Umständen als unerwünschte Flüssigkeitsverbindung zwischen wasserführenden Sanden und benachbarten Produktionsζonen dienen kann. Wenn der Mikroringraum ausreichend klein und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, wird die sich entlang der Verrohrung fortpflanzende Schallenergie durch diesen Zwischenraum hindurch übertragen. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß auch ein derartig kleiner Mikroringraum zur unerwünschten Flüssigkeitsverbindung zwischen produzierenden Zonen führen kann. Bei der Untersuchung der Zementbindung vermittels Schallwellen läßt sich ggf. auch eine fehlerhafte Zementierung nicht feststellen, wenn die Zementhülle um ihren Umfang herum eine Vielzahl unsymmetrisch ausgebildeter Kanäle oder Hohlräume aufweist. Derartige Kanäle oder Hohlräume können zu unerwünschtem Flüssigkeitsdurchgang führen, auch wenn die Zementhülle an sich gut mit der Verrohrung und den Formationen verbunden ist. Die Schallenergie wird in einem solchen Falle einwandfrei von der Verrohrung nach außen durch die Zementhülle hindurch in die Formationen übertragen. Aus diesen Gründen sind Prüfverfahren zur Untersuchung der Zementbindung vermittels Schallwellen nicht ausreichend zuverlässig, um unerwünschte Flüssigkeitsverbindungen an einem Produktions-

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bohrloch feststellen zu können.

Zur Feststellung von Hohlräumen oder Kanälen in der Zementhülle ist auch schon versucht worden, radioaktive Stoffe wie z.B. Iod 131 oder dgl. durch die Produktionsperforationen hindurch in die produzierenden Formationen und in Hohlräume in den die Verrohrung umgebenden Ringraum einzuspritzen. Dabei wird davon ausgegangen, daß die radioaktiven Stoffe entgegen der Strömungsrichtung unerwünschter Flüssigkeiten eingedrückt und ihre radioaktiven Eigenschaften dann im Bereich hinter der Verrohrung vermittels Strahlungsdetektoren ermittelt werden können. Bohrlochprüfungen dieser Art haben sich jedoch als sehr unzureichend erwiesen, insbesondere in locker verfestigten Sandformationen, in denen jedoch unerwünschte Flüssigkeitskanäle am häufigsten anzutreffen sind.

Bei hochdurchlässigen Formationen wie z.B. locker verfestigten Sanden absorbiert die produzierende Formation selbst den größten Teil der radioaktiven Stoffe, welche durch die Perforationen eingedrückt werden. Nahezu keine radioaktiven Stoffe oder nur ein sehr geringer Teil derselben lassen sich entgegen der Strömungsrichtung unerwünschter Flüssigkeiten eindrücken, insbesondere dann, wenn das Eindrücken gegen den Flüssigkeitsdruck einer Formation oder nach oben gegen die Schwerkraft erfolgen muß. Daher sind auch Bohrlochprüfverfahren mit radioaktiven Flüssigkeiten ungeeignet zur Ermittlung von Kanälen oder Hohlräumen in der die Verrohrung umgebenden Zementhülle.

Ganz allgemein läßt sich sagen, daß die bekannten Verfahren allgemein auf einer Untersuchung der Zementhülle beruhen, ungeeignet oder zumindest unzuverlässig sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Stelle, an welcher Wasser in ein Produktionsbohrloch eintritt, einwandfrei feststellbar und der

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Wasserzufluß quantitativ meßbar ist.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

a) in Nähe einer Perforationsgruppe, deren Zufluß untersucht werden soll, eine Bohrlochsonde, die eine energiereiche Neutronenquelle mit zur Ausführung der Kernreaktion O (η, ρ) Ν ausreichend hoher Energie und wenigstens zwei in Längsrichtung in einem gegenseitigen Abstand und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordnete Gammastrahlungsdetektoren aufweist, angeordnet,

b) die Umgebung des Bohrlochs vermittels der Neutronenquelle mit wiederholten Impulsfolgen energiereicher Neutronen bestrahlt ,

c) mit jedem Detektor im Anschluß an jede Neutronenimpulsfolge die durch Zerfall des instabilen Stickstoffisotops 16 erzeugte Gammastrahlung ermittelt und in entsprechende Signale umgesetzt wird,

d) diese Signale entsprechend einer ersten vorbestimmten Beziehung miteinander kombiniert werden und ein Signal für die lineare Fließgeschwindigkeit von elementaren Sauerstoff kernen, welches den Wasserzufluß durch die untersuchten Perforationen darstellt, hergeleitet wird, und

e) der bekannte Innenquerschnitt der Verrohrung mit der linearen Fließgeschwindigkeit entsprechend einer zweiten vorbestimmten Beziehung miteinander kombiniert und anhand des Volumendurchsatzes von elementaren Sauerstoffkernen ein dem Zufluß durch die untersuchten Perforationen darstellender Wert hergeleitet wird.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren gestattet -somit ganz im Gegensatz zu bekannten Verfahren die direkte Ermittlung und Messung von unerwünschtem Fließwasser in Kanälen oder Hohlräumen in der hinter der Verrohrung liegenden Zementhülle eines Produktionsbohrlochs. Bei dem erfindungsgemäß

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vorgeschlagenen nuklearen Bohrlochmeßverfahren werden elementare Sauerstoffkerne, die einen Teil des unerwünschten Fließwasserstroms bilden, durch Beschüß mit energiereichen Neutronen aktiviert. Die Neutronenquelle wird dabei innerhalb des Bohrlochs gegenüber dem Bereich angeordnet, welcher auf in der Zementhülle befindliche Kanäle oder unerwünschte Strömungen entlang der Zementhülle untersucht werden soll. Dieser Bereich wird dabei mit Neutronen bestrahlt, wobei die Neutronenquelle monoenergetische Neutronen von angenähert 14 MeV liefert. Ein Kern von Sauerstoff 16 wird durch Einfangen eines Neutrons von angenähert 10 MeV in radioaktiven Stickstoff 16 umgewandelt. Der radioaktive Stickstoff 16 zerfällt mit einer Halbzeit von etwa 7,1 see, wobei ein Betateilchen emittiert und energiereiche Gammastrahlung von angenähert 6 MeV oder höher erzeugt wird. Wenn das durch einen Hohlraum in der Zementhülle oder den Mikroringraum hindurchtretende Fließwasser mit einem ausreichend hohen Neutronenfluß von 10 MeV Energie bestrahlt wird, wird in der unerwünschten Fließströmung selbst eine ausreichend hohe Menge an radioaktivem Stickstoff 16 erzeugt, welcher durch die beiden in Längsrichtung in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Detektoren ermittelbar ist.. Diese Messung läßt sich unmittelbar zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit des durch die Zementkanäle hindurchtretenden Fließwassers verwenden. Da für die Messung statt einer kontinuierlich emittierenden eine pulsierend arbeitende Neutronenquelle verwendet wird, ist die Anzeigegenauigkeit für Fließwasser gesteigert, indem der Einfluß von Hintergrund-Gammastrahlung verringert ist, welche auf verhältnismäßig prompte thermische"oder epithermische Neutronenzusammenstöße im Bohrlochbereich zurückzuführen ist.

Das Verfahren gestattet die Erstellung eines Produktionsprofils entlang dem perforierten Verrohrungsbereich in einer Produktionsformation, so daß sich ersehen läßt, an welchen

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Verrohrungsperforatxonen ein unerwünschter Wasserzufluß auftritt. Darüber hinaus gestattet das erfindungsgemäße.Verfahren die quantitative Messung des Durchsatzes an unerwünschtem Wasser innerhalb der Verrohrung.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2-5.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des geometrischen Aufbaus einer zur Ermittlung von Fließwasser dienenden Bohrlochsonde mit einem einzigen Detektor.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des geometrischen Aufbaus einer zur Ermittlung von Fließwasser dienenden Bohrlochsonde mit zwei Detektoren.

Fig. 3 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung des Ansprechverhaltens eines Fließwasserdetektors mit kontinuierlich emittierender Neutronenquelle bei Vorhandensein und Abwesenheit von Wasserströmung.

Fig. 4 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung des ■ Ansprechverhaltens eines Fließwasserdetektors mit einer pulsierend emittierenden Neutronenquelle bei Vorhandensein und Abwesenheit von Wasserströmung.

Fig. 5A, 5B und 5C sind schematische Darstellungen einer nach dem Baukastenprinzip aufgebauten Fließwasserdetektor-Bohrlochsonde.

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Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des

gesamten Fließwasserdetektorsystems-mit der Bohrlochsonde in einem verrohrten Bohrloch, für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung des Takt- und Datenübertragungsformats im erfindungsgemäßen Fließwasserdetektorsystem.

Vor Beschreibung der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Vorrichtung seien hier kurz die theoretischen Grundlagen für die Messung von Fließwasser hinter der Verrohrung dargelegt.

Das Verfahren beruht auf der Erzeugung des instabilen radioaktiven Isotops 16 in der festzustellenden Wasserströmung hinter der Verrohrung. Zu diesem Zweck wird das Fließwasser mit energiereichen Neutronen beschossen, deren Energie über angenähert 10 MeV liegt. Diese Neutronenbombardierung führt zur Kernumwandlung der in den Wassermolekülen des Fließwassers enthaltenen Sauerstoffkerne zu dem instabilen Stickstoffisotop 16, wobei die Kerngleichung lautet Ö (η, ρ) Ν

Anhand Figur 1 sei eine hypothetische Bohrlochsonde 14 betrachtet, die in einem flüssigkeitsdicht abgeschlossenen Gehäuse eine 14 MeV-Neutronenguelle 11 und einen Gammastrahlendetektor 12 enthält. Die Mitte des Gammastrahlendetektors 12 befindet sich dabei in einem Abstand von S cm.von der Mitte der Neutronenquelle 11. Weiterhin sei angenommen, daß parallel zur Achse der Bohrlochsonde 14 ein Wasserkanal oder eine Wasserströmung 13 verläuft, dessen bzw. deren Mittelpunkt sich in einem Abstand von R von der Mittelachse der Sonde 14 befindet, und in welchem Wasser in Richtung von der Neutronenquelle 11 zum Strahlendetektor 12 fließt. Nunmehr läßt sich zeigen, daß C, d.h. der sich aus dem Zerfall des indu-

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zierten radioaktiven Stickstoffs 16 ergebende Zählwert, welcher vom Detektor 12 ermittelt wird, durch Gleichung 1 gegeben ist wie folgt:

C =Σ_ο 0_n G K(R) V(e^Xa/^2v - _e-^Aa/2v) (e*^b/2v - _e~^Xh/2v)

(1)

Die einzelnen Größen in dieser Gleichung haben dabei die folgenden Bedeutungen:

V Wasserdurchsatz(in cm³/see)
X =0,0936 (sec ) = Zerfallskonstante von N a effektive Länge des Bestrahlungsfeldes für das an der Neutronenquelle vorbeifließende Wasser (in cm) b effektive Länge des Detektorbereichs für das am Detektor vorbeiströmende Wasser (in cm)

ν lineare Geschwindigkeit der Wasserströmung (cm/sec) φ Neutronenausstoß der Quelle (Neutronen/cm/sec) G geometrischer Faktor und Wirkungsgrad des Detektors K(R) eine vom Abstand R (in cm) von Mitte Sonde zu Mitte Wasserströmung abhängige Funktion.

S Abstand zwischen Quelle und Detektor (in cm) 2 . eine Konstante = N P^a/MJi.b, in welcher N die Avogadro'sehe Zahl, M das Molekulargewicht des Wassers, C die Wasserdichte und 6 der mikroskopische Einfangquerschnitt von Sauerstoff für Neutronen ist.

Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden:

C/V = fK(R) (β^λ&/2ν __e-Aa/2v_)(eAb/2v __&-X b/2v, _e~A S/v ₍₂₎

in welcher f = Σ φ G.

Die Größen S, a und b sind Eigenschaftsfaktoren der Bohrlochsonde 14 und lassen sich durch Messung bzw. Eichung ermitteln. Σ kennzeichnet die physikalischen Eigenschaften von Wasser,

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der Bohrlochsonde und der Kernreaktion O (n,p)N und läßt sich ebenfalls messen. Wenn Geometrie von Quelle und Detektor unverändert bleiben und der Neutronenausstoß konstant

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gehalten wird, sagt Gleichung (2) aus, daß für einen vorgegebenen Wert von R der Quotient C/V eine Funktion der linearen Fließgeschwindigkeit ν der Wasserströmung ist und somit keine Funktion der Geometrie derselben (d.h. der Größe von Ringraum, Zementkanal usw.) darstellt.

In Fig. 2 ist eine zweite hypothetische Bohrlochsonde 24 mit zwei Detektoren dargestellt, die eine Neutronenquelle 21 von 14 MeV und zwei Gammastrahlendetektoren 22 und 25, jeweils in einem Abstand von S₁ bzw. S₂ von der Mitte der Neutronenquelle 21 aufweist. Eine Abschirmung 26 ist zwischen Quelle und Detektoren angeordnet. Anhand Gleichung (2) läßt sich das von den Detektoren 22 und 25 ermittelte Zählwertverhältnis ausdrücken als:

C₁Zc₂ = e ⁺^ (S₂-S₁)Zv ₍₃₎

Wenn Gleichung (3)-nach der linearen Fließgeschwindigkeit ν aufgelöst wird, ergibt sich:

ν = λ (S₂ - S₁) Z In(C₁ZC₂) (4)

In den Gleichungen (3) und (4) beträgt λ = 0,0936 sec ~ , S₃-S₁ ist eine bekannte physikalische Größe der Sonde 24 und C₁ und C₂ sind die gemessenen Zählwerte. Wie aus Gleichung (4) zu ersehen, läßt sich die lineare Fließgeschwindigkeit ν ohne Kenntnis der Strömungsgeometrie oder des von der Mitte der Sonde zur Mitte der Wasserströmung 13 gemessenen Abstands R bestimmen.

Bei Messung der Wasserströmung innerhalb der Verrohrung interessiert weniger die lineare Fließgeschwindigkeit v, sondern vielmehr der Volumendurchsatz V. Da sich dieser genau bestimmen läßt, kann eine Entscheidung darüber getroffen werden, ob eine Zementeindrückung (oder Nachbesserung der Zementhülle) ausgeführt werden soll, um die Flüssigkeitsverbindung zwischen Frischwassersanden und produzierenden ölformationen zu unter-

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binden. Bei Wasserströmung innerhalb der Verrohrung läßt sich der Volumendurchsatz anhand Gleichung (5) in einfacher Weise bestimmen:

V = V-F, (5)

in welcher F der Innenquerschnitt der Verrohrung ist.

Bei Verwendung einer Bohrlochsonde mit einer 14 MeV-Neutronenquelle und zwei Gammastrahlendetektoren läßt sich die lineare Fließgeschwindigkeit ν unabhängig von der Strömungsgeometrie und Lage der Wasserströmung bestimmen, wenn diese parallel zur Sondenachse verläuft. Weiterhin läßt sich der Volumendurchsatz V ermitteln, wenn die Querschnittsfläche F der Strömung (wie z.B. eine Strömung innerhalb der Verrohrung) bekannt ist.

Im Hinblick auf die Anwendung und die Beschränkungen bei der Ermittlung von Fließwasser muß die Meßgenauigkeit für ν untersucht werden. Die Berechnung von ν erfolgt anhand Gleichung (4), welche den Quotienten C₁ZC₂ enthält, der das Zählwertverhältnis von näher zu weiter entferntem Detektor in einer Bohrlochsonde nach Fig. 2 darstellt. Dieses Verhältnis C₁ZC₀

aus
ist von Haus/mit einem statistischen Fehler behaftet, da der Kernzerfall des Stickstoffisotops 16 statistischen Gesetzen folgt. Dieser statistische Fehler im Quotienten C₁ZC₂ ist eine umgekehrte Funktion der Größe C. und C₃. Der Fehler im Verhältnis C₁ZC.-, wird daher durch jeden Parameter beeinflußt, welcher die Größe von C₁ und C₃ beeinflußt. Folglich können solche Parameter wie der Abstand von Quelle zu Detektor S₁ oder S₂, der Abstand R von der Sondenmitte zur Strömungsmitte, der Querschnitt F der Strömung, der Wirkungsgrad G der Gammastrahlendetektoren, das Zählzeitintervall T, der Neutronenfluß φ und die bei Abwesenheit von Strömung aufgezeichnete Hintergrund-Gammastrahlung die Messungen beeinflussen. Obwohl die meisten dieser Parameter nicht unmittelbar in Gleichung (4) erscheinen und daher die Größe von ν nicht beeinflussen, haben

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sie einen Einfluß auf die Genauigkeit, mit welcher ν gemessen werden kann. " ·. -

Im nachstehenden soll der Unterschied zwischen pulsierendem und kontinuierlichem Betrieb der Neutronenquelle betrachtet werden. In Fig. 3 sind typische Gammastrahlungs-Energiespektren dargestellt, die bei Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Wasserströmung aufgezeichnet worden sind. Die Intensität der ermittelten Gammastrahlung an einem einzigen, in . einem Abstand von der Neutronenquelle angeordneten Detektor ist in Fig. 3 als Funktion der Energie aufgetragen. Die Gammastrahlung-Photospitzen bei 7,12 und 6,13 MeV, welche für den N-^-Zerfall charakteristisch sind, und das diesem entsprechende Paar von Produktionsdurchbruchspitzen (production escape peaks) sind bei Vorhandensein von Strömung klar definiert. Bei NichtVorhandensein von Wasserströmung treten ebenfalls einige Spitzen auf. Das ist auf die Aktivierung von Sauerstoff 16 in der Formation und im Bohrloch in der Umgebung der Neutronenquelle zurückzuführen und wird vom Detektor auch bei einem Abstand von 86,3 cm von der Neutronenquelle ermittelt, der den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Daten zugrundeliegt. Dieses Hintergrundspektrum enthält außerdem Strahlung aus dem Einfang thermischer Neutronen in Formation, Verrohrung und Sonde. Diese Hintergrundstrahlung läßt sich wie nachstehend beschrieben dadurch eliminieren, daß die Neutronenquelle pulsierend betrieben wird.

Der größte Teil der auf prompte Neutronenzusammenstöße zurückzuführenden Gammastrahlung tritt innerhalb einer Millisekunde nach dem Aufhören eines Neutronenimpulses auf. Wenn die Neutronenquelle beispielsweise eine Millisekunde lang wirksam ist und die Ermittlung von Gammastrahlung im Anschluß an das Ende des Neutronenstoßes oder -impulses um 3 Millisekunden verzögert wird, d.h. die Detektoren erst nach Ablauf von drei Millisekunden aktiviert werden, ist die auf prompte Neutronen

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zurückzuführende Gammastrahlung auf einen vernachlässigbar niedrigen Wert abgeklungen. Wenn dann die durch Sauerstoffaktivierung induzierte Gammastrahlung gezählt wird, die angenähert 6 Millisekunden lang anhält, läßt sich die aus Fig. 3 ersichtliche, verhältnismäßig hohe Hintergrundstrahlung wesentlich verringern. Dieser ganze Vorgang von Impulsabgabe, Verzögerung, Zählintervall wird dann angenähert 100 Mal pro Sekunde wiederholt. Natürlich kann es aus anderen Gründen wünschenswert sein, die Neutronenquelle kontinuierlich zu betreiben, was wie aus Fig. 3 ersichtlich, möglich ist, wobei jedoch höhere Hintergrund-Zählwerte in Kauf genommen werden müssen.

Obwohl die Einschaltdauer der Neutronenquelle im Impulsbetrieb nur etwa 10 % beträgt, liegt der Neutronenausstoß während dieser Einschaltzeit um angenähert einen Faktor von 10 höher als der Neutronenausstoß bei kontinuierlichem Betrieb. Somit ist der integrierte Neutronenausstoß bei Impulsbetrieb und bei kontinuierlichem Betrieb angenähert gleich hoch. Bei Impulsbetrieb beträgt die Einschaltdauer der Detektoren angenähert 60 % (d.h. 6 msec in 10 msec). Wenn das in Fig. 3 dargestellte Energiefenster, in welchem die Zählung erfolgt (angenähert 4,45 MeV bis angenähert 7,20 MeV) und das bei kontinuierlichem Betrieb verwendet wird, auch bei Impulsbetrieb verwendet werden würde, ließensich damit die Nettozählwerte aus dem Zerfall des instabilen Isotops N auf angenähert 60 % des Werts bei kontinuierlichem Betrieb verringern. Bei Impulsbetrieb wird jedoch im wesentlichen keine auf prompte Neutronen zurückzuführende Gammastrahlung aufgezeichnet. Da die auf Elementenaktivierung zurückzuführende Strahlung keinen nennenswerten anderen Bestandteil als die oberhalb 2,0 MeV

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auf das instabile Isotop N zurückzuführende Strahlung enthält, läßt sich das Energiezählfenster bei Impulsbetrieb von angenähert 2,0 auf angenähert 7,20 MeV verbreitern. Dieser erweiterte Bereich des Zählenergiefensters umfaßt somit zusätzliche Zählungen aufgrund Compton-Streung, d,h. Gamma-

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strahlung von 6,13 und 7,12 MeV aufgrund Sauerstoffaktivierung, die einer Energiedegradatxon unterliegt, so daß dementsprechend höhere Zählwerte erhalten werden, welche die Verluste aufgrund der angenähert 60 % betragenden Einschaltdauer der Detektoren bei Impulsbetrieb ausgleichen. Fig. 4 zeigt anschaulich die Verringerung des Hintergrunds bei Impulsbetrieb. Dabei wurde der gleiche Abstand zwischen Quelle und Detektor (86,3 cm) wie in Fig.3und am Detektor das vorgenannte erweiterte Energiezählfenster verwendet.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bei Impulsbetrieb der Neutronenquelle die Größe des sich aus der Sauerstoffaktivierungsreaktion ergebenden Signals angenähert gleich groß bleibt, wohingegen die Hintergrundstrahlung durch unterdrückung der Aufzeichnung prompter N-/"-Strahlung wesentlich herabgesetzt ist. Diese Steigerung des Rauschabstands im Zählsignal verringert den statistischen Fehler des Quotienten C./C₂.

Gleichung (2) zeigt, daß der Zählwert am Detektor, d.h. C entsprechend e veränderlich ist. Das bedeutet, daß zur Maximierung des Zählwerts C und damit zur Verringerung des statistischen Fehlers bei der Messung von ν der Abstand zum Detektor S so klein „wie möglich sein sollte. Im Hinblick auf die in Fig. 2 dargestellte Bohrlochsonde mit zwei Detektoren zeigt jedoch Gleichung (4), daß für einen zu kleinen Abstand zwischen den beiden Detektoren (S₂ - S₁) ν unempfindlich wird gegenüber dem Zählwertverhältnis C₁ZC₃. Daher muß für die Abstände zwischen Quelle und Detektor S₁ und S₂ ein praktischer Kompromiß geschlossen werden, um die statistischen und nicht statistischen Fehler bei der Bestimmung von ν möglichst gering zu halten. Anhand von Versuchen wurden optimale Abstände S₁ und S₂ ermittelt. Diese Abstände für im Impulsbetrieb arbeitende Neutronenquellen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weiter unten anhand der Beschreibung der dabei verwendeten Vorrichtung angegeben. Die

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theoretischen Grundlagen gelten natürlich auch für andere Abstände. Die in der nachstehenden Beschreibung angegebenen Abstände sind jedoch nicht aus den theoretischen Grundlagen ersichtlich und ergeben sich aufgrund von Versuchen.

Die zur Ausführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung beruht in ihrer Arbeitsweise auf der Aktivierung von Sauerstoff kernen 16 durch Einfangen von Neutronen, deren Energie gleich oder größer als 10 MeV ist. Daher muß ein Neutronengenerator vorhanden sein, welcher Neutronen mit einer ausreichend hohen Energie von 10 MeV oder darüber liefert, damit die Messungen ermöglicht werden. In Frage kommende Neutronengeneratoren dieser Art arbeiten nach dem Prinzip der Deuterium-Tritium-Reaktion und erzeugen einen Fluß energiereicher Neutronen ausreichend hoher Intensität, mit dem die gewünschten Messungen ausführbar sind. Die auf der Deuterium-Tritium-Reaktion beruhenden Neutronengeneratoren werden allgemeinhin als Neutronenbeschleuniger bezeichnet.

Beschleuniger-Neutronenquellen bestehen im allgemeinen aus einem luftleer gepumpten Gehäuse mit einem an dem einen Ende des Gehäuses angeordneten Zielmaterial, das mit einem hohen Prozentgehalt an Tritium imprägniert ist. Das Ziel wird in bezug auf die Deuteriumquelle auf einem hohen negativen Potential (von angenähert 125kV) gehalten, durch welches diese Kerne zum Ziel hin beschleunigt werden. Am entgegengesetzten Ende des luftleeren Gehäuses befindet sich eine Ionenquelle und eine allgemein als Replenisher bezeichnete Quelle für Deuteriumkerne. Im Betrieb erzeugt der Neutronenbeschleuniger an der Ionenquelle konzentrierte Deuteriumionen, die durch elektrostatische Linsen zu einem Strahl gebündelt und durch das hohe negative Potential auf das mit den Tritiumkernen imprägnierte Zielmaterial beschleunigt werden. Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung werden die elektrostatischen Coulomb-Abstoßkräfte zwischen den Deuterium- und den Tritium-

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kernen überwunden, so daß die thermonukleare Verschmelzungsreaktion auftritt und Neutronen verhältnismäßig hoher. Intensität von angenähert 14 MeV erzeugt werden.

Da die Bohrlochsonde einen Neutronenbeschleuniger enthalten muß, stellen sich Probleme bei der Konstruktion der Sonde. Diese sind darauf zurückzuführen, daß eine Hochspannungsquelle erforderlich ist, welche das Potential von angenähert 125 kV erzeugt, welches die Neutronenquelle zur Beschleunigung der Deuteriumionen benötigt. Ein zu diesem /geeignetes, leistungsfähiges Hochspannungsgerät ist eine mehrstufige Cockroft-Walton-Spannungsvervielfacherschaltung. Ein derartiges Gerät weist eine erhebliche Längenausdehnung auf, da die Spannungsvervielfacherstufen in Längsrichtung der Bohrlochsonde hintereinander angeordnet und gleichzeitig die verschiedenen Vervielfacherstufen ausreichend isoliert sein müssen, um Spannungsdurchbrüche an den Isolatoren zu vermeiden.

In den Figuren 5A, 5B und 5C ist eine zur Fließwassermessung geeignete Bohrlochsonde schematisch dargestellt. Die Sonde besteht aus mehreren Baugruppen, die in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert werden.können, um die verschiede-" nen Verfahrensschritte bei der Ermittlung von Wasserströmungen hinter der Verrohrung entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren auszuführen. Am oberen Ende der Sonde befindet sich ein Kopfstück 91 von angenähert 25,4 cm Länge. Mit dem Kopfstück 91 ist ein Elektronikabschnitt 92 verbunden, welcher angenähert 190,5 cm lang ist und die Steuerungs- und Detektorelektronik enthält. Der Detektorabschnitt 93 enthält zwei Gammastrahlendetektoren, die aus thalliumaktivierten Natriumiodid-Kristalldetektoren (in, Zylinderform von angenähert 5 χ 10 cm Größe) bestehen können, sowie eine Eisenabschirmung, welche sich an dem dem Neutronengenerator gegenüberliegenden Ende befindet. Unterhalb des in Fig. 5A dargestellten Detektorabschnitts 93 befindet sich ein weiterer Abschnitt, welcher

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den Neutronengenerator 94 und das Hochspannungsgerät 95 für eine Spannung von 125 kV enthält. Die bevorzugten Abstände zwischen der Neutronenquelle und den Detektoren sind bei zusammengebauter Sonde wie aus den Fig. 5B und 5C ersichtlich jeweils 58,4 cm bzw. 106,7 cm. Der die Neutronenquelle und das Hochsparmungsgerät enthaltende Abschnitt weist eine Länge von angenähert 238 cm auf. Am unteren Ende der Sonde befindet sich ein Rundkopf 96, der dazu dient, das untere Sondenende gegen Beschädigung zu schützen, wenn dieses in Berührung mit dem Bohrlochboden oder einem innerhalb der Bohrung befindlichen Hindernis kommt.

Das sich stellende Problem beruht auf der Länge (von 238 cm) des Hochspannungsgeräts. Wenn eine aufwärts gerichtete Wasserströmung ermittelt werden soll, muß diese nämlich zunächst an der Neutronenquelle und dann nachaneinander an den Detektoren vorbeilaufen. Damit ergibt sich zwangsläufig der in Fig. 5B dargestellte Zusammenbau, bei welchem der Detektorabschnitt 93 der Bohrlochsonde oberhalb des Hochspannungsgeräts 95 und des Neutronengenerators 94 angeordnet ist. Zur Ermittlung von nach unten gerichteter Wasserströmung ist die Anordnung von Fig. 5C erforderlich,.da die nach unten gerich- · tete Wasserströmung^ zunächst an der Neutronenquelle und dann erst an den Gammastrahlendetektoren vorbeilaufen muß, damit die vorbeschriebene Fließ- oder Strömungsmessung ausführbar ist. Bei dieser Anordnung müssen daher der Neutronengenerator 94 und das Hochspannungsgerät 95 oberhalb des Detektorabschnitts 93 in der Sonde angeordnet sein.

Da die Gammastrahlendetektoren einen angemessenen Abstand von dem Ziel des Neutronengenerators aufweisen müssen, muß sich das mit Tritium imprägnierte Ziel des Neutronengenerators 94 so dicht wie möglich an der Abschirmung im Detektorabschnitt 93 der Sonde befinden. Daher muß das Hochspannungsgerät 95 für den Neutronengenerator 94 endseitig austauschbar

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ausgebildet sein, d.h. an beiden Enden mit den gleichen Anschlüssen versehen sein, um den Zusammenbau nach Fig. 5B und Fig. 5C zu ermöglichen, womit die Ermittlung yon Wasserströmung in einer nach oben bzw. nach unten weisenden Richtung möglich ist. Daher sind sämtliche Baugruppen der in Fig. 5 dargestellten Bohrlochsonde in Baukastenform ausgebildet. Diese Baugruppen werden durch flüssigkeitsdichte Schraubverbindungen mit entsprechenden Dichtungen miteinander verbunden.

Die in den Figuren 5A, 5B und 5C dargestellte Bohrlochsonde ist außerdem mit Zentriergliedern 97 versehen, welche aus zylindrischen Gummiarmen oder dgl. bestehen können, die nach außen in Eingriff mit der Innenwandung der Verrohrung vorstehen, wenn die Sonde zu Meßzwecken in das Bohrloch abgesenkt wird. Diese Zentrierglieder 97 halten die Sonde in einer mittigen Lage innerhalb der Verrohrung, damit eine zylindrische Symmetrie der Messungen gewährleistet ist. Wenn die Sonde gegen eine Seitenwand der Verrohrung anliegen würde, könnte es vorkommen, daß sie nicht in der Lage ist, an der gegenüberliegenden Seite der Verrohrung vorhandene Wasserströmung zu ermitteln, da sich aufgrund des vergrößerten Abstands der Neutronenquelle und der Detektoren von der Wasserströmung eine verringerte Empfindlichkeit ergibt.

Der Elektronikabschnitt 92 der Bohrlochsonde steuert wie weiter unten beschrieben die Arbeitsweise des Neutronengenerators 94 und liefert die Hochspannung zum Betrieb der Detektoren, welche im Detektorabschnitt 91 enthalten sind. Der Elektronikabschnitt 92 liefert außerdem zu Beginn jedes Neutronenstoßes, d.h. jeder Neutronenimpulsfolge Synchronisationsimpulse und enthält Schaltungen, über welche die den Detektoren abgegebenen elektrischen Impulssignale und Synchronisationsimpulse in das zur Erdoberfläche führende Kabel abgegeben werden.

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In Fig. 6 ist die gesamte Bohrlochmeßvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der in ein Bohrloch hinabgelassenen Sonde schematisch dargestellt. Die Bohrlochsonde 104 von entsprechend den Fig. 5A, 5B und 5C baukastenförmigem Aufbau ist im Bohrloch 100 vermittels eines bewehrten oder armierten Meßkabels 111 aufgehängt und in bezug auf die Innenwandung der Verrohrung 102 vermittels Zentriergliedern 105 zentriert. Das verrohrte Bohrloch ist mit Bohrflüssigkeit 101 gefüllt. Die in Fig. 6 dargestellte Bohr- . lochsonde weist zwei Gammastrahlendetektoren 124 und 125 auf, die entsprechend dem in Fig. 5C dargestellten Zusammenbau angeordnet sind und dazu dienen, eine nach unten gerichtete Wasserströmung hinter der Verrohrung 102 zu ermitteln. Weiterhin umfaßt die Sonde ein 125 kV-Spannungsgerät und eine Neutronenquelle 126, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind. Der Elektronikabschnitt 127 der Sonde 104 entspricht dem Elektronikabschnitt 92 in den Fig. 5A, 5B und 5C.

Das Bohrloch 100 ist durch Erdformationen 123, 107, 108 und 109 niedergebracht. Ein auf einer Seite in der die Verrohrung 102 umgebenden Zementhülle 103 dargestellter Zementkanal 110 gestattet eine unerwünschte Wasserströmung in nach unten weisender Richtung aus einem wasserführenden Sand 107 durch eine Schieferschicht 108 hindurch in einen ölführenden Sand 109, aus dem Erdöl gewonnen wird. Wenn sich die Bohrlochsonde 104 in der dargestellten Lage befindet, wobei die gegenseitige Zuordnung von Detektor und Neutronenquelle der Anordnung von Fig. 5C entspricht, gestattet sie die Ermittlung unerwünschter Wasserströmung aus dem wasserführenden Sand 107 durch den Zementkanal 110 hindurch in den ölführenden Sand 109. In der Verrohrung 102 angebrachte Perforationen 106 gestatten den Eintritt von Flüssigkeit aus dem ölführenden Sand 109 in das Bohrloch 100, wobei gleichzeitig das durch den Zementkanal 110 zugeführte unerwünschte Fremdwasser in das Bohrloch 100 eintreten kann. Entsprechend der Darstellung in Fig. 6

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durchdringen die von der Neutronenquelle 126 abgegebenen energiereichen Neutronen die Stahlverrohrung 102 und aktivieren den elementaren Sauerstoff in der von dem wasserführenden Sand 107 kommenden und durch den Zementkanal 110 hindurchtretenden Wasserströmung. Das durch den Zementkanal 110 fließende Wasser läuft somit anschließend an den Detektoren 124 und 125 vorbei, wobei sich aus dem Zerfall von radioaktivem Stickstoff 16 ergebende Gammastrahlung vermittels der Detektoren 124 und 125 in der vorstehend beschriebenen Weise aufgefangen wird. Elektrische Impulse, deren Impulshöhe proportional ist der Energie der durch die Detektoren 124 und 125 aufgefangenen Gammastrahlung werden zum Elektronikabschnitt 127 der Bohrlochsonde 104 übertragen und gelangen über das Meßkabel 111 zu den an der Oberfläche befindlichen Teilen der Vorrichtung.

Das in Fig. 7 dargestellte Zeitdiagramm entspricht der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung und zeigt die über das Meßkabel 111 übertragenen Meßimpulse. Die elektrischen Impulssignale, welche der von den Detektoren 124 und 125 aufgefangenen Gammastrahlungsenergie entsprechen, sind im oberen Teil des Diagramms von Fig. 7 dargestellt, während der untere Teil dieses Diagramms schematisch die Taktsteuerung für die Vorrichtung nach Fig. 6 darstellt. Ein Neutronenstoß oder eine Neutronenimpulsfolge von 1 msec Dauer wird im Zeitpunkt T=O erzeugt und belegt somit den Zeitraum von T=O bis T = + 1 msec. Gleichzeitig mit der Erzeugung des Neutronenstoßes in der Bohrlochsonde wird ein Synchronisierungs impuls hoher negativer Amplitude im Elektronikabschnitt 127 der Bohrlochsonde erzeugt und über das Meßkabel 111 zur Erdoberfläche übertragen. Die Amplitude des Synchronisierungsimpulses ist dabei größer bemessen als die größte Meßimpulsamplitude eines der beiden Detektoren. Die elektrischen Impulssignale, welche den in willkürlicher zeitlicher Abfolge auftretenden Gammastrahlen entsprechen, die auf die Detektoren D- und D,

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in der Bohrlochsonde 104 fallen, werden durch den Elektronikabschnitt 127 und über das Meßkabel 111 kontinuierlich/ d.h. fortlaufend zur Oberfläche übertragen. Die vom Detektor D₁ abgegebenen Impulse werden in das Kabel mit negativer Polarität, und die von dem Detektor D₂ gelieferten Impulse mit positiver Polarität in das Kabel abgegeben. An der Oberfläche befindet sich ein Irapulstrenner 115, welcher aufgrund der elektrischen Polarität die Impulse von Detektor D₁ und Detektor D₂ unterscheidet. Impulse negativer Polarität werden einem Synchronisationsimpulsdetektor 118 und dem einen Eingang eines Zeitgatters 116 zugeführt. Die positiven Impulse von Detektor D₂ werden dem einen Eingang eines weiteren Zeitgatters 117 zugeführt.

Der Synchronisationsimpulsdetektor 118 ermittelt die negativen Synchronisierungsimpulse großer Amplitude anhand Amplitudendiskriminierung und führt den Zeitgattern 116 und 117 nach Ablauf von 4 msec nach Beginn des Neutronenstoßes Steuerimpulse zu. Somit ergibt sich zwischen dem Ende des Neutronenstoßes und der Ansteuerung der Zeitgatter 116 und 117 vermittels des als Taktimpulsgenerator arbeitenden Synchronisationsimpulsdetektors 118 ein zeitlicher Abstand von

3 msec.

Das kontinuierlich dem Meßkabel 111 zugeführte Ausgangssignal der beiden Detektoren D₁ und D₂, welches aus einer" willkürlichen Folge von Meßimpulsen besteht, wird der nachgeschalteten Schaltung aufgrund der Zeitgatter 116 und 117 nur während eines 5,86 msec dauernden Zeitintervalls zugeführt, das bei

4 msec nach T=O beginnt und bis zum Zeitpunkt T = 9,85 msec dauert, wie aus dem Zeitdiagramm von Fig. 7 ersichtlich ist. Sobald die Zeitgatter 116 und 117 durch den vom Synchronisationsimpulsdetektor 118 gelieferten Ansteuerimpuls durchgeschaltet sind, gelangen die von den Gammastrahlungsdetektoren 124 und 125 der Sonde gelieferten Meßimpulse als Eingangssignale zu Impulshöhenanalysatoren 119 bzw. 120. Diese

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Impulshöhenanalysatoren führen die spektrale Energieaufteilung der durch die Bohrlochsonde 104 an beiden Detektoren 124 und 125 aufgefangenen Gammastrahlung entsprechend den vorstehend beschriebenen Energiefenstern aus.

Zur Ermittlung des Abstands R von der Mitte der Bohrlochsonde zur Mitte des durch den Zementkanal 110 fließenden Wassers kann eine spektrale Degradationstechnik angewendet werden. Zu diesem Zweck wird die nach iher Energie unterschiedene. Impulshöheninformation der Impulshöhenanalysatoren 119 und 120 einem kleinen Rechner 121 zugeführt, bei dem es sich um einen Mehrzweck-Digitalrechner vom Typ PDP-11 (hergestellt von der Firma Digital Equipment Corporation in Cambridge, Massachusetts, USA) handeln kann. Dem Rechner 121 wird die nach Energie diskriminierte Information zugeführt , und dieser wendet zur Bestimmung R, d.h. dem Abstand der Mitte der Wasserströmung von einem oder von beiden Detektoren eine Zählverhältnistechnik an.

Die Werte ν und R darstellenden Ausgangssignale werden vom Rechner 121 einem Aufzeichnungsgerät 122 zugeführt, welches wie durch die gestrichelte Linie 113 angedeutet elektrisch oder mechanisch mit„ einer Laufrolle 112 gekoppelt sein kann, so daß sich die interessierenden Größen als Funktion der Lage der Bohrlochsonde innerhalb des Bohrlochs darstellen lassen. In entsprechender Weise kann die von den Mehrkanalimpulshöhenanalysa-feoren 119 und 120 verarbeitete Zählinforma- " tion einen Aufzeichnungsgerät 122 zugeführt werden, in welchem die Meßwerte als Funktion der Tiefe der Bohrlochsonde 104 innerhalb des Bohrlochs dargestellt werden.

Während im Vorstehenden die theoretischen Grundlagen und die Vorrichtung zur Ermittlung und Messung unerwünschter Wasserströmungen in Zementkanälen oder -hohlräumen hinter der Verrohrung eines verrohrten Bohrlochs beschrieben worden sind, wird im nachstehenden die Arbeitsweise bei der Anwendung

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des erfindungsgemäßen Verfahrens für unterschiedliche Bohrlochverhältnisse beschrieben. Zunächst sei einmal der Fall betrachtet, daß das Verfahren an einem verrohrten' Produktionsbohrloch ausgeführt wird, in welchem die Produktionsflüssigkeit unter dem Formationsdruck durch die Perforationen hindurch unmittelbar in die Bohrung gedrückt wird. Dieser Fall entspricht auch der schematischen Darstellung von Fig. 6.

Bei einem fertiggestellten Produktionsbohrloch, dessen Verrohrung mit Perforationen versehen ist, soll der Zufluß von Wasser ermittelt werden. Dazu wird die in Fig. 6 schematisch dargestellte Bohrlochsonde in das Produktionsbohrloch eingeführt. Der unerwünschte Wasserzufluß soll aus einem wasserführenden Sand 107 stammen und über einen Zementkanal 110 durch eine Schieferlage 108 hindurch zu einer ölführenden Sandschicht 109 gelangen, an welcher es durch die Perforationen 106 hindurch in das Bohrloch 100 eintritt. Zwar ist in Fig. 6 der Fall dargestellt, daß der unerwünschte Wasserzufluß aus von einem wasserführenden Sand 107 nach unten in den ölführenden Sand 109 zufließenden Wasser besteht, jedoch ist in der Praxis die Wahrscheinlichkeit ebenso hoch, daß der unerwünschte Wasserzufluß entlang einem ähnlichen (und hier nicht dargestellten) Zementkanal aus einem wasserführenden Sand stammt, der unterhalb des Produktionshorizonts in der ölführenden Sandschicht 109 liegt. In der Praxis ist üblicherweise die Richtung, aus welcher der unerwünschte Wasserzufluß kommt, nicht genau bekannt. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet vermittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung die Ermittlung von Fließwasser in jeder Richtung.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, müssen die elementaren Sauerstoffkerne in der Wasserströmung aktiviert werden, damit radioaktiver Stickstoff 16 entsteht/dessen

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radioaktiver Zerfall durch die in Längsrichtung in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Detektoren 124 und 125 in der Bohrlochsonde 104 ermittelt wird. Da die Richtung der Wasserströmung nicht genau vorhergesagt werden kann, ist daher erforderlich, eine im Baukastensystem ausgebildete Sonde zu verwenden, die der anhand der Fig. 5A, 5B und 5C beschriebenen Ausführung entspricht und die Ermittlung von Wasserströmung sowohl in nach oben als auch nach unten weisender Richtung hinter der Verrohrung gestattet.

Anhand von Versuchen hat sich gezeigt, daß eine dieser Weise ausgebildete Bohrlochsonde mit hoher Diskriminierung die Anzeige der Fließwasserrichtung gestattet. Wenn die Sonde in der Weise zusammengesetzt ist, daß sie die Ermittlung einer nach oben gerichteten Wasserströmung gestattet, entspricht ihr Ansprechverhalten gegenüber einer nach unten verlaufenden Wasserströmung über den untersuchten Bohrlochabschnitt bei Verwendung einer pulsierenden Neutronenquelle den in Fig. 4 für die Abwesenheit von Wasserströmung dargestellten Werten, oder bei Verwendung einer kontinuierlich arbeitenden Neutronenquelle den in Fig. 3 für die Abwesenheit von Wasserströmung dargestellten Werten. Somit gestattet die Bohrlochsonde eine wirksame und genaue Unterscheidung der an der Neutronenquelle 126 vorbeiführenden Wasserströmung je nachdem, ob die in einem gegenseitigen Abstand in Längsrichtung angeordneten Detektoren 124 und 125 oberhalb oder unterhalb der Neutronenquelle 126 angeordnet sind. Zur Ermittlung einer nach oben gerichteten Wasserströmung müssen die Detektoren oberhalb der Neutronenquelle angeordnet sein, während zur Ermittlung einer nach unten gerichteten Wasserströmung die Detektoren unterhalb der Neutronenquelle angeordnet sein müssen.

Unter Berücksichtigung dieser Richtungsunterscheidung sind anhand der schematischen Darstellung von Fig. 6 die folgenden Maßnahmen erforderlich, um die genaue Lage der uner-

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wünschten Wasserströmung zu ermitteln. Um die in Fig. 6 dargestellte, nach unten weisende Wasserströmung festzustellen, werden zunächst einmal die Detektoren 124 und 125 unterhalb der Neutronenquelle 126 angeordnet. Dann wird die Bohrlochsonde so weit in das Bohrloch abgesenkt, daß sie sich in einem geringen Abstand oberhalb der Perforationen 106 befindet, wonach Messungen des Zerfalls von radioaktivem Stickstoff 16 in der nach unten gerichteten Wasserströmung innerhalb des Zementkanals 110 über einen ausreichend langen Zeitraum von z.B. angenähert 5 Minuten ausgeführt werden. Solange sich die Bohrlochsonde 104 etwas oberhalb der Perforationen 106 befindet, ist sie unempfindlich gegenüber innerhalb der Verrohrung 102 nach oben gerichteter Strömung, da diese zunächst an den Detektoren 124 und 125 und dann erst _:an der Neutronenquelle 126 vorbeiläuft. Somit wird nur innerhalb des Zementkanals 110 nach unten fließendes Wasser aktiviert und mit dieser Anordnung der Sonde gemessen.

Als nächstes wird die Bohrlochsonde aus dem Bohrloch herausgezogen und in abgeänderter Reihenfolge wieder zusammengebaut, indem die Detektoren entsprechend der Darstellung in Fig. 5B oberhalb der Neutronenquelle angeordnet werden. Dann wird die Sonde bis auf eine etwas unterhalb der Perforationen 106 liegende Tiefe in das Bohrloch abgesenkt, wonach wiederum die Messung der Sauerstoffaktivierung über eine entsprechende Zeitspanne erfolgt. Damit wird in Nähe der Verrohrung entlang Zementkanälen nach oben fließendes Wasser gemessen. Bei dieser Anordnung ist die Bohrlochsonde unempfindlich gegenüber innerhalb der Verrohrung 102 nach unten an den Detektoren 124 und 125 vorbeiströmendem Wasser.

Auf diese Weise wird das Ansprechverhalten der Detektoren gegenüber unerwünschter Wasserströmung entlang Zementkanälen oder -hohlräumen entsprechend Gleichung (4) zur Bestimmung der linearen Fließgeschwindigkeit ν der unerwünschten Wasser-

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Strömung in diesen Kanälen ausgenutzt. Dabei wird natürlich zugleich die Richtung der Wasserströmung ermittelt.

in entsprechender Weise läßt sich der Volumendurchsatz V von unerwünschter Wasserströmung dadurch ermitteln, daß der Abstand R von der Mitte der Wasserströmung zur Mitte der Detektoren geschätzt oder gemessen wird.

Alle vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte beziehen sich auf stationäre Messungen. Mit diesen werden vermutlich die genauesten Meßergebnisse bei der Ermittlung von Fließwasser erhalten. Die Ermittlung und Messung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch auch bei bewegter Bohrlochsonde erfolgen. Wenn die Sonde langsam und mit genau bekannter Fortbewegungsgeschwindigkeit wie z.B. 1,5 m/min innerhalb des Bohrlochs hochgezogen oder ^abgesenkt wird, kann die Messung entsprechend Fig. 6 auch in der Weise erfolgen, daß die Sonde in das Bohrloch zunächst in der Form eingebracht wird, bei welcher sich die Detektoren unterhalb der Neutronenquelle befinden, wobei die Messung unmittelbar oberhalb der zu untersuchenden Verrohrungsperforatxonen beginnt. Dann wird die Sonde langsam.und kontinuierlich an den Verrohrungsperforatxonen 106 vorbei über eine vorbestimmte Strecke bis an eine unterhalb der Perforationen liegende Stelle abgesenkt. Nachdem die Sonde aus dem Bohrloch herausgezogen und die gegenseitige Anordnung von Detektoren und Quelle umgekehrt worden ist, wird sie wiederum in das Bohrloch bis an eine vorbestimmte Stelle unterhalb der Perforationen 106 abgesenkt und mit langsamer Geschwindigkeit an den Verrohrungsperforatxonen 106 vorbei nach angehoben. Die Aufwärtsbewegung wird dabei über eine vorbestimmte Strecke oberhalb der Perforationen durchgeführt. Wenn sich bei diesen Messungen die Detektoren 124 und 125 unterhalb der Quelle befinden, ist die Sonde verhältnismäßig unempfindlich gegenüber ihrer nach unten gerichteten Bewegung. Wenn sich

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die Detektoren oberhalb der Quelle befinden, ist die Sonde entsprechend verhältnismäßig unempfindlich gegenüber ihrer Fortbewegung nach oben. Auf diese Weise läßt sich vermittels einer kontinuierlichen Messung wenigstens qualitativ eine unerwünschte Flüssigkeitsverbindung entlang der Zementhülle ermitteln und in der anhand Fig. 6 beschriebenen Weise als Funktion der Bohrlochtiefe aufzeichnen.

Wenn die Bohrlochsonde nach oben bewegt wird und sich dabei, die Detektoren 124 und 125 unterhalb der Neutronenquelle befinden, oder wenn die Bohrlochsonde nach unten bewegt, wobei sich die Detektoren 124 und 125 oberhalb der Neutronenquelle 126 befinden, führt die Sondenbewegung lediglich zu einem konstanten, linearen Geschwindigkeitsausdruck, der additiv ist zu dem Ansprechwert der Sonde gegenüber Wasserströmung in der jeweiligen Meßrichtung. Da die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde genau bekannt ist, läßt sich dieser konstante Faktor bei der Bestimmung der linearen Fließgeschwindigkeit ν und des Volumendurchsatzes V im Rechner 121 durch Subtraktion ausgleichen. Sofern die Fließgeschwindigkeit des unerwünschten WasserStroms nicht genau gleich ist der Fortbewegungsgeschwindigkeit der- Bohrlochsonde innerhalb des Bohrlochs, so daß sich dementsprechend keine Relativbewegung ergibt, lassen sich die Meßwerte auch bei fortbewegter Sonde ermitteln.

Vermittels der beschriebenen Vorrichtung läßt sich ein Produktionsprofil aus dem entlang der Verrohrung in gegenseitigen Abständen angeordneten Perforationen erstellen. In diesem Falle wird die Bohrlochsonde mit unterhalb der beiden Detektoren angeordneter Neutronenquelle in das Bohrloch abgesenkt, wobei stationäre Messungen in Intervallen zwischen einzelnen Perforationsgruppen in einer beispielsweise über eine größere Strecke perforierten Produktionszone ausgeführt werden. Während die Sonde an jeder Perforationsgruppe vorbei

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nach unten abgesenkt wird, lassen sich die lineare Fließgeschwindigkeit und der Volumendurchsatz der Flüssigkeit innerhalb der Verrohrung sehr genau bestimmen, da der Verrohrungsquerschnitt F ganz genau bekannt ist. Da der Meßvorgang bei diesem Verfahren auf der Sauerstoffaktxvxerung beruht, werden an der Sonde vorbeiströmende Kohlenwasserstoffe nicht gemessen, sondern es wird lediglich unerwünschter Wasserzufluß ermittelt, der durch jeweils eine bestimmte Perforationsgruppe einströmt. Während die Sonde an einer den unerwünschten Wasserzufluß aufweisenden Perforationsgruppe vorbei nach unten abgesenkt wird, lassen sich auf diese Weise die lineare Fließgeschwindigkeit und der Volumendurchsatz an dieser'Perforationsgruppe messen.

Vermittels des Verfahrens lassen sich unerwünschte Wasseradern in einer produzierenden Formation erkennen, die über eine längere Strecke durch Perforationen angezapft ist. Die Ermittlung der linearen Fließgeschwindigkeit y und des Volumendurchsatzes V von unerwünschtem Wasserzufluß an den Detektoren vorbei erfolgt in der vorstehend beschriebenen Weise.

Es ist denkbar, daß ein unerwünschter Wasserzufluß innerhalb des Bohrlochs genau„ so gut nach unten wie nach oben fließt. In diesem Falle kann die Bohrlochsonde zur Erdoberfläche gebracht, die Zuordnung von Quelle und Detektoren umgekehrt und dann die Folge stationärer Messungen an zwischen den Perforationen liegenden Stellen wiederholt werden, während die Sonde " an jeder Perforationsgruppe vorbei nach unten abgesenkt wird. Auf diese Weise läßt sich durch eine bestimmte Perforationsgruppe zufließendes Wasser innerhalb der Verrohrung ermitteln und feststellen, ob dieses Wasser ausgehend von den Perforationen innerhalb der Verrohrung nach oben oder nach unten fließt.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer in anderer Weise oder äquivalent ausgebildeten Vorrichtung ausgeführt werden kann.

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Claims

Patentansprüche : 1.Verfahren zur Ermittlung und quantitativen Messung von

durch Perforationen in ein Produktionsbohrloch eintretendem Wasser an einem mit einer Verrohrung bekannter Größe

in Längsrichtung angeordneten versehenen Bohrloch, wobei die/Perforationen in mehreren gegenseitige Abstände aufweisenden Perforationsgruppen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in Nähe einer Perforationsgruppe (106), deren Zufluß untersucht werden soll, eine Bohrlochsonde (24, 104), die eine energiereiche Neutronenquelle (21, 126) mit

16 16 zur Ausführung der Kernreaktion O (n,p)N ausreichend hoher Energie und wenigstens zwei in Längsrichtung in einem gegenseitigen Abstand und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordnete Gammastrahlungsdetektoren (25; 124, 125) aufweist, angeordnet,

b) die Umgebung des Bohrlochs (100) vermittels der Neutronenquelle mit wiederholten Impulsfolgen energiereicher Neutronen bestrahlt,

c) mit jedem Detektor im Anschluß an jede Neutronenimpulsfolge die durch Zerfall des instabilen Stickstoffisotops 16 erzeugte Gammastrahlung ermittelt und in entsprechende Signale umgesetzt wird,

d) diese Signale entsprechend einer ersten vorbestimmten Beziehung miteinander kombiniert werden und ein Signal für die lineare Fließgeschwindigkeit von elementaren Sauerstoffkernen, welches den Wasserzufluß durch die untersuchtenPerforationen darstellt, hergeleitet wird, und

e) der bekannte Innenquerschnitt der Verrohrung mit der linearen Fließgeschwindigkeit entsprechend einer zweiten vorbestimmten Beziehung miteinander kombiniert und anhand des Volumendurchsatzes von elementaren Sauerstoffkernen ein den Zufluß durch die untersuchten Perforationen darstellender Wert hergeleitet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (24, 104) in die Nähe jeder zweiten Perforationsgruppe (106), deren Zufluß untersucht werden soll, gebracht wird, und die Verfahrensschritte b), c), d) und e) an jeder Stelle wiederholt und die Werte für lineare Fließgeschwindigkeit und Volumendurchsatz als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß · die Bohrlochsonde (24, 104) nach Abschluß einer ersten Meßreihe aus dem Bohrloch (100) herausgezogen wird, die gegenseitige Zuordnung von Neutronenquelle und Detektoren umgekehrt wird, und dann die Verfahrensschritte a), b), c), d) und e) in Nähe der gleichen Perforationsgruppe, jedoch an einer gegenüber dem ersten Meßpunkt auf der entsprechenden gegenüberliegenden, nach oben bzw. nach unten versetzten Seite der Perforationsgruppe wiederholt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (24, 104) in Nähe jeder zweiten zu untersuchenden Perforationsgruppe (106) an eine gegenüber dieser entsprechend nach oben bzw. unten versetzte Stelle gebracht wird, an jeder Stelle die Verfahrensschritte b), c), d), und e) wiederholt und die Werte für lineare Fließgeschwindigkeit und Volumendurchsatz als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte b) bis e) ausgeführt werden während die Bohrlochsonde (24, 104) mit bekannter Geschwindigkeit an einer oder mehreren zu untersuchenden Perforationsgruppen vorbeigeführt wird, wobei außerdem die ermittelte lineare Fließgeschwindigkeit um die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Bohrlochsonde berichtigt wird.

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