DE2650345A1

DE2650345A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des durchsatzes an unerwuenschtem wasser hinter der verrohrung eines produktionsbohrloches

Info

Publication number: DE2650345A1
Application number: DE19762650345
Authority: DE
Inventors: Dan Mckay Arnold; Obie Martin Langford; Hans Juergen Paap; Harold Elmer Peelman; Ward Edward Schultz; Jun Harry Davis Smith
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-11-03
Publication date: 1977-05-05
Also published as: DE2650345C2

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM MESSEN DES DURCH-
SATZES AN UNERWÜNSCHTEM WASSER HINTER DER VER-ROHRUNG EINES PRODUKTIONSBOHRLOCHS Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Bohrlochmeßverfahren und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Durchsatzes an unerwünschtem Wasser hinter der Verrohrung eines Produktionsbohrlochs durch Einführen einer Bohrloch sonde in einen zu untersuchenden Bohrlochbereich.
Unerwünschte Verbindungswege für Flüssigkeit entlang verrohrter Bohrlochabschnitte zwischen produzierenden Gesteins-oder Erdformationen stellen bereits seit langem ein Problem bei der Erdölgewinnüng 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 eine zwischengeschaltete aufwendige 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 FlüssigkeitsXrerbindungen 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 weiche hindurch Flüssigkeitsverbindungen zwischen belzhbarten wasserführenden Sanden und der Produktionszone stehen können.
Eeine weitere Ursache unerwünschter Flüssigkeitsverbindungen entlang dem Bohrloch zwischen produzierenden öIscl?ichten und benachbarten wasserführenden Sanden ist der sogenannte "Mikroringraum" zwischen Verrohrung und Zementhülle. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, daß beim Eindrücken von Zement vom unteren Ende der Verrohrung aus in den Ringraum zwischen Verrohrung und Formationen (oder auch beim Eindrüelcen von Zement durch Perforationen der Verrohrung 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 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, der auch als Mikroringraum bezeichnet wird. Wenn die Verrohrung bei der Zementierung verhältnismäßig weit gedehnt worden ist (wie z.B. bei 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 von mehreren Schallempfängern aufgefangen und untersucht. Das Prinzip dabei besteht darin, daß bei fester Bindung zwischen Verrohrung und Zementhülle und den diese umgebenden Formationen die sich entlang der Verrohrung 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 Produktionszonen dienen kann.
Wenn der Mikroringraum ausreichend klein und mit Flüssigkeit gefüllt ist, wird die sich entlang der Verrqhrung fortpflanzende Schallenergie durch diesen Zwischenraum 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 Produktionsbohrloch feststellen zu können.
Zur Feststellung von Hohlräumen oder Kanälen in der Zementhülle ist auch schon versucht worden, radioaktive Stoffe wie z.B. Jod 131 oder dgl. durch die Produktionsperforationen hindurch in die produzierenden Formationen und in Hohlräume in dem 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 und einer Vorrichtung zum Messen des Durchsatzes an unerwünschtem Wasser hinter der Verrohrung eines Produktionsbohrlochs in innerhalb der Zementhülle verlaufenden Kanälen oder durch in dieser befindlichen Hohlräumen oder'innerhalb des sogenannten Mikroringraums, wobei eine Unterscheidung zwischen innerhalb und außerhalb der Verrohrung fließendem Wasser möglich sein soll.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der zu untersuchende Bohrlochbereich vermittels einer in der Bohrlochsonde enthaltenen Neutronenquelle, die zur Ausführung der Kernreaktion 016 (n,p) N16 geeignete schnelle Neutronen aussendet, mit Neutronen bestrahlt, die beim Zerfall des instabilen Stickstoffisotops N16 entstehende Strahlung vermittels zwei in der Bohrlochsonde enthaltener und in Sondenlängsrichtung in einem gegenseitigen Abstand voneinander und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordneter Detektoren ermittelt, der aufgefangenen Gammastrahlung entsprechende Signale erzeugt und entsprechend vorbestimmten Beziehungen zur Herleitung eines Volumendurchsatzmeßwerts an den unerwünschten Wasserdurchsatz hinter der Verrohrung in der untersuchten Bohrlochtiefe darstellenden elementaren Sauerstoffkernen verarbeitet werden.
Die weiterhin zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung weist eine in ein verrohrtes Bohrloch einfahrbare, baukastenförmig zusammengesetzte, flüssigkeitsdicht abgeschlossene und druckfest ausgebildete Bohrloch sonde auf und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde aus wenigstens drei Baugruppen zusammengesetzt ist, nämlich einer einen Neutronengenerator enthaltenden ersten Baugruppe, einer wenigstens zwei in einem gegenseitigen Abstand in Längsrichtung angeordnete Gammastrahlungsdetektoren und eine Neutronenabschirmung enthaltenden zweiten Baugruppe und einer Steuer- und Signalübertragungselektronik enthaltenden dritten Baugruppe besteht, wobei erste und zweite Baugruppe endseitig in der Weise miteinander verbindbar -sind, daß sich unter Beibehaltung der Längsabstände zwischen Neutronenquelle und Detektoren eine der beiden oberhalb der jeweils anderen befindet, und das an der Erdoberfläche befindliche Gerät zur Herleitung des Volumendurchsatzes an unerwünschtem Wasser hinter der Verrohrung dienende Signalverarbeitungsteile umfaßt.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren und Vorrichtungen, die wie gesagt auf einer Untersuchung der Zementhülle beruhen, gestatten somit das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung die direkte Ermittlung und Messung von unerwünschtem Fließwasser durch Bestimmung des Volumendurchsatzes an Wasser in Kanälen oder Hohlräumen in der hinter der Verrohrung liegenden Zementhülle eines Produktionsbohrlochs oder innerhalb der Verrohrung selbst. Nach dem vorgeschlagenen Verfahren und vermittels der weiterhin vorgeschlagenen Vorrichtung werden elementare Sauerstoffkerne, die einen Teil des unerwünschten Wasserdurchsatzes bilden, durch Beschuß mit energiereichen Neutronen aktiviert. Die Neutronenquelle wird dabei innerhalb des Bohrlochs gegenüber dem Bereich angeordnet, welcher auf index Zementhülle befindliche Kanäle oder unerwünschte Strömungen entlang der Zementhülle untersucht werden soll. Zur Bestrahlung dieses Bereichs mit Neutronen liefert die Neutronenquelle monoenergetische Neutronen mit einer Energie von angenähert 14 MeV. Ein Kern von Sauerstoff 16 wird bei Einfangen eines Neutrons von angenähert 10 MeV in radioaktiven Stickstoff 16 umgewandelt. Der radioaktive Stickstoff 16 zerfällt mit einer Halbzeit von etwa 7,1 sec, 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 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. Das Verfahren gestattet ganz allgemein die Messung des Volumendurchsatzes an Wasser in Zementkanälen, im Mikroringraum oder durch andere Hohlräume in der Zementierung, wobei die Degradation des energiereichen Gammastrahlungsspektrums aufgrund Compton-Streuung der beim Zerfall des radioaktiven Stickstoffs 16 erzeugten Gammastrahlung ausgenutzt wird, um angenähert den Abstand zwischen einem einzigen Gammastrahlungsdetektor und der Mitte der Wasserströmung zu bestimmen. Wenn 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.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die beiden in einem gegenseitigen Abstand voneinander angeordneten Detektoren z.B. zunächst oberhalb und. dann unterhalb der Neutronenquelle angeordnet werden, wobei sich dann anhand nur einiger weniger, relativ gültiger Annahmen eine Unterscheidung zwischen innerhalb und außerhalb der Verrohrung fließendem Wasser treffen läßt. Auch läßt sich ein unerwünschter Wasserdurchsatz in einer Produktionszone bei Produktionsbetrieb, d.h. ohne Unterbrechung der Förderung, messen, indem die Bohrlochsonde in einem entsprechend kleinen Außendurchmesser ausgebildet wird, so daß sie in ein Produktionsrohrgestänge einführbar ist, wobei die Messungen in der gleichen Weise wie oben beschrieben ausgeführt werden.
Weiterhin gestattet dasVerfahren entsprechend einer weiteren Ausgestaltung die Unterscheidung zwischen einer unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung und einer in der gleichen Richtung verlaufenden, erwünschten Flüssigkeitsströmung in einem Produktionsrohrgestänge, das durch eine Produktionszone hindurch verläuft, welche bei einem Mehrkanal-Bohrloch auf das Vorhandensein von Zementkanälen in der umgebenden Zementierung untersucht werden soll. In diesem Falle kann die Wasserströmung innerhalb des Produktionsrohrgestänges im zu untersuchenden Bohrlochbereich in der gleichen Richtung verlaufen wie unerwünschtes Fließwasser in Kanälen oder Hohlräumen außerhalb der Verrohrung, wobei trotzdem eine Unterscheidung zwischen diesen Strömungen möglich ist.
Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Unterscheidung zwischen Fließwasser innerhalb und außerhalb der Verrohrung auf der Grundlage der Strömungsrichtung möglich.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 first 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 Bohrloch sonde 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. 5 ist ein Schaubild und zeigt die spektrale Degradation der Gammastrahlung bei Verlagerung der Gammastrahlungsquelle in eine unterschiedliche Entfernung vom Detektor.
Fig. 6 ist ein Schaubild und zeigt das Zählverhältnis von zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Detektoren als Funktion des Abstands.
Fig. 7 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Gammastrahlungsdetektor aus zwei zueinander konzentrischen Zylindern.
Fig. 8 zeigt im Schaubild das Ansprechverhalten des in Fig. 7 dargestellten Detektors als Funktion des Abstands zwischen Detektor und einer Gammastrahlungsquelle.
Fig. 9A, 9B und 9C sind schematische Darstellungen einer nach dem Baukastenprinzip aufgebauten Fließwasserdetektor-Bohrlochsonde.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung des gesamten Fließwasserdetektorsystems, d. h. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der Bohrlochsonde in einem verrohrten Bohrloch.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung des Takt-und Datenübertragungsformats bei Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 12A und 12B dienen zur Veranschaulichung der Wasserdurchsatzmessung in einem fördernden Produktionsbohrloch.
Fig. 13 A und 13B dienen zur Veranschaulichung der Wasserdurchsatzmessung in einem Mehrkanal-Produktionsbohrloch.
Vor Beschreibung der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Vorrichtung seien hier kurz die theoretischen Grundlagen für die Messung von Wasserdurchsatz dargelegt.
Das Verfahren beruht auf der Erzeugung des instabilen radioaktiven Isotops Stickstoff 16 in der zu ermittelnden und zu messenden Wasserströmung, z.B. hinter der Verrohrung. Zu diesem Zweck wird das Fließwasser mit energiereichen Neutronen beschossen, deren Energie über angenähert 10 MeV liegt.
Dieser Neutronenbeschuß führt zur Kernumwandlung der in den Wassermolekülen des Fließwassers enthaltenen Sauerstoffkerne zu dem instabilen Stickstoffisotop 16, wobei die Kerngleichung lautet o16 (n, p) N16.
Anhand Fig. 1 sei eine hypothetische Bohrlochsonde 14 betrachtet, die in einem flüssigkeitsdicht abgeschlossenen Gehäuse eine 14 MeV-Neutronenquelle 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 Mitte sich in einem Abstand R von der Mittelachse der Sonde 14 befindet, und in welchem Wasser von der Neutronenquelle 11 zum Strahlendetektor 12 fließt. Nunmehr läßt sich zeigen, daß C, d.h.
der sich aus dem Zerfall des induzierten radioaktiven Stickstoffs 16 ergebende Zählwert, welcher vom Detektor 12 ermittelt wird, durch Gleichung 1 gegeben ist wie folgt: Die einzelnen Größen in dieser Gleichung haben dabei die folgende Bedeutung: V Wasserdurchsatz (in cm3 /sec) > = 0,0936 (sec 1) = Zerfallskonstante von N16 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) v lineare Geschwindigkeit der Wasserströmung (in cm/sec) 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) eine Konstante = NoP 6 a/MX b, in welcher N die Avogadro'sche Zahl, M das Molekulargewicht des Wassers, P die Wasserdichte und 6 der mikroskopische Einfangquerschnitt von Sauerstoff für Neutronen ist.
Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden: Die Größen S, a und b sind Eigenschaftsfaktoren der Bohrlochsonde 14 und lassen sich durch Messung bzw. Eichung ermitteln.
kennzeichnet die physikalischen Eigenschaften von Wasser, der Bohrlochsonde und. der Kernreaktion O16(n,p)N16 und läßt sich ebenfalls messen. Wenn Geometrie von Quelle und Detektor unverändert bleiben und der Neutronenausstoß konstant gehalten wird, sagt Gleichung (2) aus, daß für einen vorgegebenen Wert von R der Quotient C/V eine Funktion der linearen Fließgeschwindigkeit v 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 der Neutronenquelle und den Detektoren angeordnet. Anhand Gleichung (2) läßt sich das von den Detektoren 22 und 25 ermittelte Zählwertverhältnis ausdrücken als: C1/C2 = e (S2-S1)/V (3) Wenn Gleichung (3) nach der linearen Fließgeschwindigkeit v aufgelöst wird, ergibt sich: v = i (S2 s,) / ln(C1/C2) (4) In den Gleichungen (3) und (4) beträgt # = 0,0936 sec-1 S2 - S 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 v 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 oder hinter 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 unterbinden. Zur Bestimmung des Volumendurchsatzes V muß daher die anhand Gleichung (4) bestimmbare Größe v in Beziehung zu einem Parameter gesetzt werden, der entweder gemessen oder mit annehmbarer Genauigkeit geschätzt wird. Dazu kann der Parameter R, d.h. der Abstand von der Mitte der Sonde zur Mitte der Strömung verwendet werden.
Es wird nun angenommen, daß die Bestrahlungsstärke für ein vorgegebenes Wasserzuwachsvolumen, d.h. der Neutronenfluß mit seiner Intensität als Funktion von 1/R2 abnimmt, wenn sich das Zuwachsvolumen in einem Abstand R von der Neutronenquelle befindet. In entsprechender Weise wird angenommen, daß die vom Detektor aufgefangene Strahlung mit zunehmendem Abstand vom Detektor als Funktion 1/R2 abnimmt.
Anhand dieser beiden Annahmen läßt sich der Ausdruck K(R) in Gleichung (2) ausdrücken durch: K(R) = P/R4 , (6) wobei P eine Eichkonstante ist. Die auf den vorgenannten Annahmen beruhende Gleichung (6) stellt dabei lediglich eine Näherungsgleichung dar. Durch Laborversuche konnte jedoch bestätigt werden, daß Gleichung (6) den Verlauf der Funktion K(R) mit guter Näherung wiedergibt.
Unter Verwendung von Gleichungen (6) und (2) läßt sich nunmehr der Volumendurchsatz V ausdrücken durch: CiR4 e+#Si/v V = (7) Q(e#a/2v - e-#a/2v) (e #b/2v - e-#b/2v) in welcher Q = p f. und i = 1 oder 2 (je nachdem, ob ein oder zwei Detektoren vorhanden sind). Aus Gleichung (7) ist ersichtlich, daß nach Herleitung von v aus Gleichung (4) und bei bekanntem Abstand R,oder wenn dieser Abstand geschätzt werden kann, der Volumendurchsatz V durch Verwendung des entsprechenden Werts für Si aus dem Zählwert eines der beiden Detektoren 22 oder 25 (1 oder 2 in Gleichung (7) ) berechnet werden kann. Im nachstehenden sind zwei unterschiedliche Verfahrensgänge zur Bestimmung von R offeXlbart.
Bei Verwendung einer Bohrlochsonde mit einer 14 MeV-Neutronenquelle und zwei Gammastrahlendetektoren läßt sich die lineare Fließgeschwindigkeit v unabhängig von der Strömungsgeometrie und Lage der Wasserströmung bestimmen, wenn diese parallel zur Sondenachse verläuft. Weiterhin läßt sich der Volumendurchsatz V ermitteln, wenn der Abstand von Mitte Sonde zu Mitte Wasserströmung gemessen oder mit annehmbarer Genauigkeit geschätzt werden kann. Wenn die Wasserströmung durch einen Zementkanal oder Ringraum verläuft, kann selbstverständlich angenommen werden, daß R innerhalb der die Verrohrung umgebenden Zementhülle liegt.
Im Hinblick auf die Anwendung und die Beschränkungen bei der Ermittlung von Fließwasser oder Wasserströmung innerhalb oder außerhalb der Verrohrung muß die Meßgenauigkeit für v untersucht werden. Die Berechnung von v erfolgt ja anhand Gleichung (4), welche den Quotienten C1/C2 enthält, der das Zählwertverhältnis von näher zu weiter entferntem Detektor in einer Bohrlochsonde nach Fig. 2 darstellt. Dieses Verhältnis C1/C2 ist von Haus aufs mit einem statistischen Fehler behaftet, da der Kernzerfall des Stickstoffisotops 16 statistischen Gesetzen folgt. Dieser statistische Fehler im Quotienten C1/C2 ist eine umgekehrte Funktion der Größe von C1 und C2.
Der Fehler im Verhältnis C1/C2 wird daher durch jeden Parameter beeinflußt, welcher die Größe von C1 und C2 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 n 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 v nicht beeinflussen, haben sie einen Einfluß auf die Genauigkeit, mit welcher v 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 diesen entsprechende Paar von Produktionsdurchbruchspitzen (production escape peaks) sind bei Vorhandensein von Strömung klar definiert. Bei Nichtvorhandensein von Strömung 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 ermittelt, der den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Meßwerten zugrundliegt. 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 drei Millisekunden verzögert wird, d.h. die Detektoren erst nach Ablauf von drei Milleskunden aktiviert werden, ist die auf prompte Neutronen zurückzuführende Gammastrahlung auf einen vernachlässigbar niedrigen Wert abgeklungen. Wenn dann die durch Sauerstoffaktivierung induzierte Gammastrahlung gezählt wird, welche angenähert 6 Millisekunden lang anhält, läßt sich die aus Fig. 3 ersichtliche, verhältnismäßig hohe Hintergrundstrahlung wesentlich verringern. Dieser ganze Vorgang von Impulsabgabew 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 10 höher als der Neutronenausstoß bei kontinuierlichem Betrieb.
Somit ist der integrierte Neutronenausstoß bei Impulsbetrieb und 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, ließe sich damit die Nettozählgeschwindigkeit aus dem Zerfall des instabilen Isotops N16 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 auf das instabile Isotop N16 zurückzuführende Strahlung enthält, läßt sich das Energiezählfenster bei Impulsbetrieb von angenähert 2,0 auf angenähert 7,20 MeV verbreitern. Dieser erweiterte Bereich des Zãhlenergiefensters umfaßt somit zusätzliche Zählungen aufgrund Compton-Streuung, d.h. Gammastrahlung von 6,13 und 7,12 MeV aufgrund Sauerstoffaktivierung, die einer Energiedegradation 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. 3, und 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 angenäheri: gleich groß bleibt, wohingegen die Hintergrundstrahlung durch Unterdrückung der Aufzeichnung prompter N-g-Strahlung wesentlich herabgesetzt ist. Diese Steigerung des Rauschabstands im Zählsignal verringert den statistischen Fehler des Quotienten C1'C2.
Gleichung (2) zeigt, daß der Zählwert am Detektor, d.h. C entsprechend e-s/v veränderlich ist. Das bedeutet, daß zur Maximierung des Zählwerts C und damit zur Verringerung des statistischen Fehlers bei der Messung von v der Abstand zum Detektor S so klein wie möglich sein sollte. Im Hinblick auf die Fig. 2 dargestellte Bohrlochsonde mit zwei Detektoren zeigt jedoch Gleichung (4) an, daß für einen zu kleinen Abstand zwischen den beiden Detektoren (S2 Si) v unempfindlich wird gegenüber dem Zählwertverhältnis C1/C2. Daher muß für die Abstände zwischen Quelle und Detektor S1 unu S2 ein praktischer Kompromiß geschlossen werden, um die statistischen und nichtstatistischen Fehler bei der Bestimmung von v möglichst gering zu halten. Anhand von Versuchen wurden optimale Abstände 1 und 82 ermittelt. Diese Abstände für im Impulsbetrieb arbeitende Neutronenquellen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weiter unten anhand der Beschreibung der weiterhin vorgeschlagenen Zorrichtang angegeben. Die 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.
Der Abstand R läßt sich in folgender Weise bestimmen: Wie aus Gleichung (7) hervorgeht, läßt sich der Volumendurchsatz von Wasser innerhalb oder außerhalb (hinter) der Verrohrung messen, wenn der Abstand R, d.h. der Radialabstand von der Mitte der Detektoren zur Mitte der Wasserströmung gemessen oder zumindest geschätzt werden kann. Aus weiter unten in der Beschreibung genannten Gründen ist in manchen Fällen eine Schätzung von R mit der zur Bestimmung des Volumendurchsatzes V erforderlichen Genauigkeit nicht möglich. Jedoch kann R in der nachstehend beschriebenen Weise gemessen werden.
Ein erstes Verfahren zur Bestimmung von R läßt sich als spektrale Gammastrahlungsdegradation bezeichnen. In Fig. 5 sind zwei Gammastrahlungsspektren dargestellt, die sich beim Zerfall von radioaktivem Stickstoff 16 ergeben, das bei der Sauerstoffaktivierung vermittels der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagenen Bohrlochsonde entsteht. Die in Fig. 5 dargestellten Spektren sind mit ein und demselben Detektor der Bohrlochsonde aufgenommen und zeigen den Zählwert am Detektor für zwei Wasserströmungen, deren Mitten jeweils R1 bzw. R2 cm von der Detektormitte entfernt sind. Die gestrichelte Kurve in Fig. 5 zeigt das Gammastrahlungsspektrum waus dem Zerfall von radioaktivem Stickstoff 16 für eine Wasserströmung, deren Mitte sich in einem Abstand R1 von angenähert 7,52 cm von der Mitte des in der Bohrlochsonde befindlichen Detektors entfernt befindet. Der Abstand R2 beträgt 17,68 cm und ist somit größer als der Abstand R1.
Außerdem sind vermittels der Doppelpfeile in Fig. 5 zwei Energiezählfenster A und B angedeutet. Das Zählfenster A umfaßt die Photo- und Durchbruchspitzen bei 7,12 und 6,13 MeV des radioaktiven Stickstoffs 16, die Primärstrahlung entsprechen und zum Detektor in erster Linie ohne Compton-Streustrahlungskollisionen gelangen. Das Fenster B stellt ein Energiezählfenster zur Ermittlung primärer Gammastrahlung dar, deren Energiepegel durch Kollisionen (Compton-Streuung) degradiert ist.
Wenn CA(R) definiert ist als der in Fenster A aufgezeichnete Zählwert für einen willkürlichen Abstand R, und-CB(R) definiert ist als der in Energiefenster B für einen ebenfalls willkürlichen Abstand R aufgezeichnete Zählwert, läßt sich zeigen, daß CA(R2)/CB(R2) < CA(R1)/CB(R1) (8) für R2 > R1 Die sich auf diese Weise ergebenden Verhältnisungleichheitefl CA/CB in Gleichung (8) sind darauf zurückzuführen, daß ein größerer Anteil der primären Gammastrahlung von 6,13 und 7,12 MeV durch Kollisionen mit dem zwischen Wasserströmung und Detektor befindlichem Material degradiert ist, da der Abstand R zwischen der aktivierten Wasserströmung und dem Detektor größer ist. Wenn daher der Fließwasserdetektor für spektrale Degradation als Funktion des Radialabstands R geeicht wird, läßt sich der unbekannte Radialabstand R zur Mitte der Wasserströmung ermitteln. Dieser Abstand R läßt sich dann in Gleichung (7) einsetzen, um den Volumendurchsatz quantitativ zu bestimmen.
In Fig. 6 sind die Ergebnisse einer experimentellen Eichung des Zählwertverhältnisses CA/CB dargestellt, wobei diese Zählwerte unter bekannten Versuchsbedingungen als Funktion von R gemessen worden sind und gleichzeitig der mittlere Fehler des Mittelwerts durch die senkrechten Bereiche angegeben ist. Außerdem zeigt Fig. 6 die Ergebnisse einer Monte-Carlo-Rechnerauswertung für eine punktförmige Gammastrahlungsquelle von 6,13 MeV in unterschiedlichen Abständen R von einem Gammastrahlungsdetektor. Die Monte-Carlo-Berechnungen beruhen auf der Wahrscheinlichkeitstheorie und dienen zur Vorhersage des nicht durch Kollisionen beeinträchtigten oder nicht degradierten Gammastrahlungsflusses als Funktion des Radialabstands der Quelle von Detektor anhand der bekannten physikalischen Gesetze für Compton-Streuung. Wie aus dem Schaubild von Fig. 6 ersichtlich, besteht ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen der Meßkurve und den Monte-Carlo-Rechenwerten.
Für die weiter unten beschriebene Bohrlochsonde mit zwei Detektoren läßt sich das Verhältnis der Zählwerte in den beiden ausgewählten Energiefenstern CA und CB des näher an der Neutronenquelle befindlichen Detektors messen. Der Abstand R von der Mitte der Wasserströmung zur Mitte dieses Detektors läßt sich dann dadurch bestimmen, indem die für Hintergrundstrahlung berichtigten Zählwerte in diesen beiden Energiefenstern anhand der in Fig. 6 dargestellten Kurve miteinander verglichen werden, so daß sich R, d.h. der Abstand von Mitte Detektor zu Mitte Wasserströmung bestimmen läßt.
Das Zählwertverhältnis am näheren Detektor wird dabei aus dem Grunde verwendet, weil es höhere Werte liefert und somit eine bessere statistische Genauigkeit erbringt. Selbstverständlich ist dieses Verhältnis auch auf den Detektor A anwendbar, und dementsprechend kann das Zählwertverhältnis des Detektors A alternativ oder zusätzlich zu dem Zählwertverhältnis des näheren Detektors zur Bestimmung herangezogen werden. Die Zählwerte beider Detektoren lassen sich somit zur Berechnung der linearen Fließgeschwindigkeit v verwenden, wonach bei bekanntem Abstand R der Volumendurchsatz V vermittels Gleichung (7) berechnet werden kann.
In den Fig. 7 und 8 ist ein weiteres Verfahren zum Messen des Radialabstands schematisch dargestellt. Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen aus zwei Kristallen bestehenden Gammastrahlungsdetektor, der aus einem inneren Kristall 71 von allgemein zylindrischer Formgebung aus einem mit Natrium- oder Cäsiumjodid aktivierten Detektorkristall vom Halbmesser r1 und der Länge L1 besteht, welcher sich in der Mitte oder Achse eines als zylindrisches Gehäuse ausgebildeten Kristalls 72 befindet. Der Detektorkristall 72 besteht ebenfalls aus einem mit Natrium- oder Cäsiumjodid-Thallium aktivierten Kristall bekannter Ausführung zur Ermittlung energiereicher Gammastrahlung und weist einen Innenhalbmesser r2 und einen Außenhalbmesser r3 auf. Zwei voneinander unabhängige Photovervielfacher sind jeweils optisch mit dem Detektorkristall 71 bzw. 72 gekoppelt und ermitteln somit unabhängig voneinander Szintillationen oder Lichtblitze, die sich beim Auftreffen energiereicher Gammastrahlung auf die Kristalle ergeben, wobei zwei voneinander unabhängige Zählwerte CO und C1 für die beiden zylindrischen Detektoren 72 und 71 erhalten werden.
Der radioaktive Stickstoff 16 in der aktivierten Wasserströmung sei nun als punktförmige Gammastrahlungsquelle angenommen, die sich in einem Abstand R cm von den inneren Detektorkristall 71 befindet. Dann läßt sich zeigen, daß das Verhältnis der im äußeren Detektorkristall 72 ermittelten Zählwerte CO zu den im inneren Detektorkristall 71 ermittelten Zählwerten C1 durch die nachstehende Gleichung (9) angegeben

wird: 2

Irr3 rdrd e

L0 or (r2 + R2 - 2r R cos e)

Co/C1 = K 2 - (9)

2 11 rdrd c3

L 12r1 rdrd e

(r2 + R2 - 2r R cos )

In Gleichung (9) stellt K eine Konstante dar, welche den Abschirmungseffekt des äußeren Kristalls auf den inneren Kristall für Gammastrahlung berücksichtigt. Wenn Gleichung (9) als Funktion von R numerisch unter Verwendung der in Fig. 8 angegebenen Abmessungswerte integriert wird, ergibt sich die in Fig. 8 in ausgezogener Linie dargestellte Kurve.
Figur 8 zeigt im Schaubild das Verhältnis C0/C1 als Funktion von R, wobei die ausgezogene Kurve auf den angegebenen Abmessungsangaben beruht. Wie aus diesem Schaubild ersichtlich, läßt sich R als Verhältnis CO/C1 ermitteln, sofern dieses Verhältnis mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden kann. Die zwei gestrichelten Kurven in Kurven inFig. 8 sind Hüllkurven und geben die oberen und unteren Grenzwerte für eine Genauigkeit von + 2 % bei der Bestimmung des Verhältnisses CO/C1 an. Wie aus dem Schaubild ersichtlich, läßt sich R auf etwa 12 mm genau bestimmen, wenn R kleiner oder gleich ist 127 mm, sofern das Verhältnis CO/C1 mit einer Genauigkeit von + 2 % gemessen werden kann. Wenn gewünscht ist, die Meßgenauigkeit für R auf einen Wert besser als + 12 mm zu steigern, ist ein längeres Zählintervall erforderlich, damit das Verhältnis CO/C1 mit einer entsprechend höheren Genauigkeit als 2 % ermittelt werden kann.
Zusammenfassend beruht dieses Verfahren zur Messung des Volumendurchsatzes V auf Gleichung (7), wobei die Wasserströmung entweder geschätzt oder in der beschriebenen Weise gemessen wird. Die lineare Fließgeschwindigkeit v wird dabei in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt. In manchen Fällen läßt sich R vermittels eines der beiden vorgenannten Verfahren genau messen und dann zur Berechnung des Volumendurchsatzes V benutzen. In anderen Fällen wiederum kann eine Schätzung von R erforderlich sein. Dazu kann angenommen werden, daß die Wasserströmung durch einen Kanal oder Hohlraum in der die Verrohrung außerhalb des Bohrloches umgebenden Zementhülle verläuft. In diesem Falle kann als Schätzwert für R eine Strecke angesetzt werden, die 12 bis 25 mm länger ist als der bekannte Verrohrungsaußenhalbmesser.
Dann läßt sich der Wasservolumendurchsatz aus Gleichung (7) bestimmen. Wie somit ersichtlich, lassen sich die lineare Fließgeschwindigkeit v und der Volumendurchsatz V von Wasser in einem Zementkanal oder einem ringförmigen Hohlraum hinter der Verrohrung eines Bohrlochs ziemlich genau bestimmen. Im nachfolgenden sind Einzelheiten des Meßverfahrens und der Meßvorrichtung für unterschiedliche Bohrlochverhältnisse und Produktionsbedingungen zur Ermittlung und Messung von Wasserströmung außerhalb der Verrohrung eines Bohrlochs angegeben.
Die zur Ausführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung beruht in ihrer Arbeitsweise auf der Aktivierung von Sauerstoffkernen 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 höher 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 luft leder 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 125 kV) gehalten, durch welches die Kerne zum Ziel beschleunigt werden. Am entgegengesetzten Ende des luftleeren Gehäuses befinden 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 Tritiumkernen 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, das die Neutronenquelle zur Beschleunigung der Deuteriumionen benötigt. Ein zu diesem Zweck geeignetes, leistungsfähiges Hochspannungsgerät ist eine mehrstufige Cockroft-Walton-Spannungsvervielfacherschaltung. Ein derartiges Gerät weist eine erhebliche Länge 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 9A, 9B und 9C ist eine zur Fließwassermessung geeignete Bohrlochsonde schematisch dargestellt. Die Sonde besteht aus mehreren Baugruppen, die in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert werden können, um die verschiedenen Verfahrens schritte bei Ermittlung von Wasserströmung hinter oder innerhalb 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 Natriumjodid-Kristalldetektoren (in Zylinderform von angenähert 5 x 10 cm Größe) bestehen können, sowie eine Eisenabschirmung, welche sich an dem dem Neutronengenerator gegenüberliegenden Ende befindet. Unterhalb des in Fig. 9A dargestellten Detektorabschnitts 93 befindet sich ein weiterer Abschnitt, welcher 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. 9B und 9C ersichtlich jeweils 58,4 cm bzw.
106,7 cm. Der die Neutronenquelle und das Hochspannungsgerät 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 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 zuch näst an der Neutronenquelle und dann nacheinander an den Detektoren vorbeilaufen. Damit ergibt sich zwangsläufig der in 9B 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. 9C erforderlich, da die nach unten rerichtete Wasserströmung zunächst an der Neutronenquelle und dann erst an den Gammastrahlendetektoren vorbeilaufen muß, damit die vorstehend beschriebene 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 angemessen 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 ausgebildet sein, d.h. an beiden Enden mit den gleichen Anschlüssen versehen sein, um den Zusammenbau nach Fig. 9B und Fig. 9C zu ermöglichen, womit die Ermittlung von Wasserströmung in einer nach oben bzw. nach unten weisenden Richtüng möglich ist. Daher sind sämtliche Baugruppen der in Fig. 9 dargestellten Bohrlochsonde in Baukastenform ausgebildet. Diese Baugruppen werden durch flüssigkeitsdichte Schraubverbindungen mit entsprechenden Dichtungen miteinander verbunden.
Die in den Fig. 9A, 9B und 9C 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 93 enthalten sind. Der Elektronikabschnitt 92 liefert außerdem zu Beginn jedes Neutronenstoßes, d.h. jeder Neutronenimpulsfolge Synchronisierungsimpulse und enthält Schaltungen, über welche die von den Dtektoren abgegebenen elektrischen Impulssignale und die Synchronisierungsimpulse in das zur Erdoberfläche führende Kabel abgegeben werden.
In Fig. 10 ist die gesamte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der in ein Bohrloch hinabgelassenen Sonde schematisch dargestellt. Die Bohrlochsonde 104 von entsprechend den Fig0 9A, 9B und 9C baukastenförmigem Aufbau ist im Bohrloch 100 vermittels eines 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 figur 6 dargestellte Bohrlochsonde weist zwei Gammastrahlendetektoren 124 und 125 auf, die entsprechend dem in Fig. 9C 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. 9A, 9B und 9C.
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 einer wasserführenden Sandschicht 107 durch eine Schieferschicht 108 hindurch in eine ölführende Sandschicht 109. Wenn sich die Bohrlochsonde 104 in der dargestellten Lage befindet, wobei die gegenseitige Zuordnung von Detektor und Neutronenquelle der Anordnung von Fig0 9C 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 VOil 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 von Fig. 6 durchdringen die von der Neutronenquelle 126 abgegebenen energiereichen Neutronen die Stahiverrohrung 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 ermitteln läßt 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. 11 dargestellte Zeitdiagramm entspricht der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung und zeigt die über das Meßkabel 111 übertragenen Meßimpulse. Die elektrischen Impulssignale, welche der von den Detektoren 124 und 125 auf gefangenen 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. 10 darstellt. Ein Neutronenstoß oder eine Neutronenimpulsfolge von 1 msec Dauer wird im Zeitpunkt T = 0 erzeugt und belegt somit den Zeitraum von T = 0 bis T = + 1 msec. Gleichzeitig mit der Erzeugung des Neutronenstoßes in der Bohrlochsonde wird ein Synchronisierungsimpuls hoher negativer Amplitude im Elektronikabschnitt 127 der Bohrlochsonde erzeugt und über das Meßkabel 111 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 D1 und D2 in der Bohrlochsonde 104 fallen, werden durch den Elektronikabschnitt 127 und über das Meßkabel 111 kontinuierlich, d.h. fortlaufend zur Erdoberfläche ercragen. Die vom Detektor D1 abgegebenen Impulse werden in das Kabel mit negativer Polarität, und die vom Detektor D2 gelieferten Impulse mit positiver Polarität in das Kabel abgegeben. An der Oberfläche befindet sich ein Impulstrenner 115, welcher aufgrund der elektrischen Polarität die Impulse von Detektor Da und Detektor D2 unterscheidet Impulse negativer Polarität werden einem Synchronisationsipulsdetektor 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 Amplitudendiskininierung 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 5,85 msec dauernden Zeitintervalls zugeführt, das bei 4 msec nach T = 0 beginnt und bis zum Zeitpunkt T = 9,85 msec dauert, wie aus dem Zeitdiagramm von Fig. 11 ersichtlich ist.
Sobald die Zeitgatter 116 und 177 durch den vom Synchronisationsimpulsdetektor 118 gelieferten Ansteuerimpuls durchgeschaltet sind, gelangen die von den Gammastrahlungsdetektoren 124 und 125 der Sonde gelieferten Meßimpulse als Ein gangssignale zu Impulshöhenanalysatoren 119 bzw. 120. Dies se 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 des Detektors zur Mitte der durch den Zementkanal 110 fließenden Wasserströmung kann das vorstehend anhand der in Fig. 6 dargestellten Eichkurve beschriebene spektrale Degradationsverfahren angewendet werden. Zu diesem Zweck wird die nach ihrer 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, U.S.A.) handeln kann. Dem Rechner 121 wird die nach Energie diskriminierte Information zugeführt, und dieser wendet zur Bestimmung von R, d.h. des Abstands der Mitte der Wasserströmung von einem oder von den beiden Detektoren die vorstehend beschriebene Zählverhältnistechnik an.
Ausgehend von den vorstehend angegebenen Gleichungen für die Berechnung von R kann ein derartiger Mehrzweck-Digitalrechner in z.B. einer üblichen Programmier-Compiler-Sprache wie etwa FORTRAN oder dgl. prosgrammiert werden, um die zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit v des Wassers und des Abstands R erforderlichen Rechenoperationen auszuführen. Die den errechneten Werten entsprechenden Ausgangs signale werden vom Rechner 121 einem Aufzeichnungsgerät 122 zugeführt, das 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 Mehrkanal-Impulshöhenanalysatoren 119 und 120 verarbeitete Zählinformation einem 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 Gdundlagen des Verfahrens und die Vorrichtung zum Messen unerwünschter Wasser strömungen in Zementkanälen oder -hohlräumen hinter der Verrohrung eines verrohrten Bohrlochs beschrieben worden sind, wird im nachstehenden die Arbeitsweise bei der Anwendung 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. 10.
Bei einem fertiggestellten Produktionsbohrloch, dessen Verrohrung mit Perforationen versehen ist, soll der Zufluß von Wasser ermittelt werden. Dazu wird die in Fig. 10 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 10 der Fall dargestellt, daß der unerwünschte Wasserzufluß aus von einem wasserführenden Sand 107 nach unten in den ölführenden Sand 109 zufließendem 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 erfindungsgemEße.VerEahren 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 aktlviert werden, damit radioaktiver Stickstoff 16 entsteht, dessen 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 einzusetzen, die der anhand der Fig. 9A, 9B und 9C 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 in 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, 11r'n entspricht ihr Ansprechverhalten gegenüber einer nach/ver laufenden 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 Richtungsuntertscheidung sind anhand der schematischen Darstellung von Fig 6 die folgenden Maßnahmen erforderlich, um die genaue Lage der unerwünschten Wasserströmung zu ermitteln As die in Fig. 6 dargestellte, nach unten weisende Wasser strömung festzustellen, werden zunächst einmaL die Detektoren 124 und 125 unterhalb der Neutronenquelle 126 angeordnet Dann wird die Bohrlochsonde so weit in das Bohrloch abgeSenkt daB sie sich in einem geringen Abstand oberhalb der Perforationen 106 befindet wonach Messungen des Zerfalls von radioaktivem Stickstoff 16 in der nach unter gerichteten Wasserströmung innerhalb des Zementkanals 110 über einen ausreichend langen Zeitraum von zB. 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 zusasmengebaut, indem die Detektoren entsprechend der Darstellung in 9B 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 7\nsprechverhalten der Detektoren gegenüber unerwünschter Wasserströmung entlang Zementkanälen oder -hohlräumen entsprechend Gleichung (4) zur Bestimmung der linearen Fließgeschwindigkeit v der unerwünschten Wasserströmung in diesen Kanälen ausgenutzt. Dabei wird-natürlich zugleich auch 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 nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren gemessen oder auch geschätzt wird. Wenn keine Messung ausgeführt werden soll, läßt sich der Volumendurchsatz angenähert dadurch schätzen, daß als Abstand R eine Strecke angesetzt wird, die um etwa 12 bis 25 mm länger ist als der Außenhalbmesser der Verrohrung. Damit läßt sich anhand Gleichung (7) der Volumendurchsatz V quantitativ herleiten.
Alle vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte beziehen sich auf stationäre Messungen. Mit diesen werden vermutlich die genauesten Meßergebnisse bei der Ermittlung von Fließ= wasser erhalten. Die Ermittlung und Messung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch auch bei bezug ter Bohrlochsonde erfolgen. Wenn die Sonde langsam und mit genau bekannter Fortbewegungsgeschwindigkeit von z.B. 1,5 m/min innerhalb des Bohrlochs hochgezogen oder abgesenkt würde kann die Messung entsprechend Fig. 10 auch in der Weise erfolgen, daß die Sonde in das Bohrloch zunächst in der wors eingebracht wird, bei welcher sich die Detektoren unterhalb der Neutronenquelle befinden, wobei die Messung unmittelbar oberhalb der zu untersuchenden Verrohrungperforationen beginnt. Dann wird die Sonde langsam und kontinuierlich an den Verrohrungsperforationen 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 Neutronenquelle 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 Verrohrungsperforationen 106 vorbei nach oben 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 Neutronenquelle befinden, ist die Sonde verhältnismäßig unempfindlich gegenüber ihrer nach unten gerichteten Bewegung. Wenn sich die Detektoren oberhalb der Neutronenquelle 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. 10 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 126 befinden, oder wenn die Bohrlochsonde nach unten bewegt wird, 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 Wasser strömung in der jeweiligen Meßrichtung. Da die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde genau bekannt ist, läßt sich dieser konstante Faktor bei der Bestimmung der linearen Fließgeschwindigkeit v 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.
Die Messung eines unerwünschten Wasserdurchsatzes durch Zementkanäle an einem mit Gasdruckförderung produzierenden Bohrloch wird wie folgt ausgeführt: In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, Lage und Menge einer unerwünschten Wasserströmung entlang Zementkanälen oder -hohlräumen an einem Produktionsbohrloch zu bestimmen, das fertiggestellt ist und unterstützt durch Druckgas Erdöl produziert. Verfahren dieser Art sind durchaus üblich in manchen Fördergebieten, in welchen verhältnismäßig große Mengen an Erdgas zur Produktionsförderung zur Verfügung stehen. In diesen Fällen ist es stets wünschenswert, die Messung unerwünschter Wasserströmungen unter Produktionsbedingungen vorzunehmen.
Das ist darauf zurückzuführen, daß bei Unterbrechung der Förderung in dem zu untersuchenden Bohrlochbereich zwecks Vornahme von Strömungsmessungen unerwünschter Wasserströmungen ggf. im Produktionsbetrieb vorhandene Druckdifferentiale aus der Produktionszone nicht mehr auftreten und derartige Druckdifferentiale gerade der Grund für das Auftreten einer unerwünschten Wasserströmung sein oder zumindest zu einer solchen beitragen können.
Bei Gasdruckförderung besteht die Verbindung zur Produktionszone im allgemeinen aus einem Produktionsrohrgestänge von verhältnismäßig kleinem Durchmesser (von 7,6 cm = 3 Zoll), das durch eine Packung durchgeführt ist, welche innerhalb der Verrohrung in einem Abstand von im allgemeinen etwa 15 bis 18 m oberhalb der produzierenden Perforationen verankert ist. Oberhalb der Packung und oberhalb der Perforationen sind im Produktionsrohrgestänge Gasdruckförderventile angeordnet, welche einen Förderstrom durch das Produktionsrohrgestänge gestatten, wenn sich der Flüssigkeitspegel unterhalb des Ventils befindet. Derartige Ventile gestatten außerdem das Einführen von unter Druck stehendem Erdgas in den Ringraum zwischen dem Produktionsrohrgestänge und der Bohrungsverrohrung. Durch diesen Druck wird die Förderflüssigkeit durch das Produktionsrohrgestänge nach oben gedrückt. Das in das Gestänge eintretende Gas bildet zusammen mit der durch die Perforationen zufließenden Förderflüssigkeit eine blasenförmige Emulsion und hebt diese vermittels des Gasdrucks durch das Produktionsrohrgestänge zur Erdoberfläche an.
Wie somit ohne weiteres ersichtlich, darf bei Gasdruckförderung das Produktionsrohrgestänge nicht aus der Bohrung herausgezogen werden, damit die Produktionsbedingungen nicht gestört werden und die Arbeitsweise der Gasdruck-Fördervorrichtung nicht unterbrochen wird. Wenn die Gasdruckförderung eingestellt werden würde, käme es natürlich zu einem Stillstand der Förderung an Produktionsflüssigkeit, wobei möglicherweise unerwünschte Wasserströmungen verändert werden würden oder deren Ermittlung schwierig, wenn nicht sogar unmöglich gemacht werden würde.
Zum Messen des Durchsatzes an unerwünschtem Wasser in einem produzierenden Bohrloch bei gleichzeitiger Gasdruckförderung muß die Bohrlochsonde natürlich solche Abmessungen aufweisen, daß sie durch ein Produktionsrohrgestänge hindurch eingeführt werden kann. Eine entsprechende Bohrlochsonde kann in genau gleicher Weise wie anhand der Fig. 9 und 10 beschrieben ausgeführt werden und enthält einen Neutronengenerator und Szintillationsdetektoren in entsprechender gegenseitiger Anordnung in einem Gehäuse, dessen Außendurchmesser einen Wert von 43 mm nicht überschreitet. Die Bohrlochsonde wird dann durch das Produktionsrohrgestänge hindurch auf die gewünschte Tiefe abgesenkt, in welcher die Messung von unerwünschtem Wasserdurchfluß erfolgen soll.
Anhand der Fig. 12A und 12B ist das Meßverfahren zur Ermittlung unerwünschter Wasserströmung bei gleichzeitiger Gasdruckförderung in einem produzierenden Bohrloch schematisch dargestellt. Die Verrohrung 201 ist fest in das Bohrloch einzementiert, und eine Produktionszone, aus der Flüssigkeit durch die Perforationen 202 hindurch in die Verrohrung eintritt, ist gegenüber dem übrigen Teil des Bohrlochs durch eine Packung 203 isoliert, durch welche ein Produktionsrohrgestänge 204 hindurchgeführt ist, welches die Förderflüssigkeit zur Erdoberfläche ableitet. Ein Gasdruckförderventil 205 dient zum Eindrücken von unter Druck stehendem Erdgas in das Produktionsrohrgestänge 204.
Zur Ermittlung unerwünschter, nach unten gerichteter Strömungen wird eine erfindungsgemäß ausgebildete Bohrlochsonde 206 mit der in Fig. 12A dargestellten gegenseitigen Anordnung von Neutronenquelle und Detektoren durch das Produktionsrohrgestänge hindurch bis in eine gerade oberhalb der produzierenden Perforationen 202 liegende Höhe abgesenkt. Wenn sich die Bohrlochsonde in der in Fig. 12A dargestellten Lage befindet, läßt sich eine nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung in der vorssehend beschriebenen Weise ermitteln und messen. Wenn di- Bohrlochsonde 206 entsprechend der schematischen Darstellung von Fig. 12 3 in der Weise zusammengesetzt ist, daß sich die beiden Detektoren oberhalb der Neutronenquelle befinden, und diese Sonde dann durch das Produktionsrohrgestänge 204 hindurch in die Produktionszone in eine unterhalb der Perforationen 202 liegende Höhe abgesenkt wird, läßt sich nach oben gerichtete unerwünschte Wasserströmung entlang der Verrohrung in gleicher Weise ie mit der vorstehend beschriebenen, jedoch größere Abmessungen aufweisenden Bohrlochsonde ermitteln und messen.
Bei Ausführung dieser Messungen kann die Bohrlochsonde 206 entweder in Ruhestellung, d.h. unbewegt in einer vorbestimmten Höhe zunächst oberhalb und dann unterhalb der Perforationen angeordnet werden, wobei sich die Detektoren wie ausgeführt zunächst unterhalb und dann oberhalb der Neutronenquelle befinden, oder die Bohrlochsonde 206 kann auch in der beschriebenen Weise langsam in einer nach unten oder nach oben weisenden Richtung an den Perforationen 202 vorbeigefahren werden. In jedem Falle entsprechen dabei die zur Ermittlung von Lage, linearer Fließgeschwindigkeit und Volumendurchsatz der unerwünschten Flüssigkeitsströmung in Zementkanälen oder -hohlräumen außerhalb der Verrohrung erforderlichen Verfahrensschritte den bereits vorstehend beschriebenen.
Bei Mehrkanal-Produktionsbohrlöchern (Multiple Completion Wells) sind zwei oder mehrere, in unterschiedlichen Tiefen befindliche Produktionszonen durch in die Verrohrung eingesetzte Packungen voneinander getrennt, wobei die Produktion durch eine entsprechende Anzahl von -Produktionsrohrgestängen hindurch erfolgt. In diesem Falle muß natürlich die aus einer tieferen Produktionszone stammende Förderflüssigkeit über ihr Produktionsrohrgestänge durch eine oder mehrere in geringerer Tiefe befindliche Produktionszonen hindurchgeführt werden. Dabei ist natürlich möglich, daß die aus einer tieferen Produktionszone stammende Förderflüssigkeit einen Wasseranteil enthält, wodurch die Ermittlung unerwünschter Wasserströmungen hinter der Verrohrung in oberen Produktionszonen erschwert wird. Daher stellt sich das Problem, wie eine Diskriminierung oder Unterscheidung gegen eine wasserführende Produktionsströmung in einem Produktionsrohrgestänge erfolgen kann, das durch eine in geringerer Tiefe befindliche Produktionszone hindurchgeführt ist, welche ihrerseits durch Packungen zu beiden Seiten ihrer Produktionsperforationen gegen die übrige Bohrlochlänge isoliert ist.
Ein derartiger Fall ist in den Fig. 13A und 13B schematisch dargestellt. Eine in geringerer Tiefe befindliche Produktionszone 303 ist durch in die Verrohrung eingesetzte Pakkungen 304 und 305 gegenüber dem übrigen Bohrloch und gegenüber einer tieferen Produktionszone 306 isoliert. Die tiefere Produktionszone 306 produziert mit Gasdruckförderung über ein Produktionsrohrgestänge 307, das in ganzer Länge durch die durch Packungen isolierte, in geringerer Tiefe befindliche obere Produktionszone 303 hindurchgeführt ist.
Die obere Produktionszone 303 produziert durch eine Gruppe von Perforationen 308, während die tiefere Produktionszone 306 durch eine weitere Gruppe von Perforationen 309 hindurch produziert.
Um allen Schwierigkeiten bei der Messung unerwünschter Wasserströmungen hinter der Verrohrung 310 in der oberen Produktionszone aus dem Wege zu gehen, könnte natürlich die Produktion aus der unteren Produktionszone während der Messung eingestelltuwerden. Wenn sich jedoch beide Produktionszonen ziemlich dicht beieinander befinden und der unerwünschte Wasserzufluß in der oberen Produktionszone aus einer zwischen den beiden Produktionszonen liegenden Wasserader stammt, könnte die Einstellung der Produktion aus der unteren Produktionszone die Förderbedingungen in der oberen Produktionszone in der Weise beeinflussen, daß eine Messung der unerwünschten Wasserströmung unmöglich gemacht wird.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich jedoch unerwünschte Wasserströmungen in einer mit Gasdruckförderung arbeitenden oberen Produktionszone messen, auch wenn die innerhalb eines Produktionsrohrgestänges 307 durch diese Produktionszone hindurchgeführte Förderflüssigkeit aus einer tieferen Zone einen Wasseranteil enthält. Zur Erläuterung des Meßverfahrens sind jedoch einige weitere theoretische Erläuterungen erforderlich .
Dazu sei zunächst auf die oben erläuterte Theorie der spektralen Gammastrahlungsdegradation aufgrund unterschiedlicher Dicken des streuenden Materials zwischen Neutronenquelle und Detektoren für in unterschiedlichen Abständen von den Detektoren verlaufende Wasserströmungen erinnert. Der in einem Energiebereich oder -fenster i (i = A, B) des Detektors j (j = 1, 2) nach Korrektur für Hintergrund oder Störpegel aufgezeichnete Zählwert läßt sich angeben wie folgt: Ci,j= CTi,j + CFi,j (10) In dieser Gleichung (10) ist CTi j der Zählwert aus der Wasserströmung im Produktionsrohrgestänge, die durch die obere obere Produktionszone hindurch verläuft, während C j der Zählwert aufgrund einer Wasserströmung hinter der Verrohrung in der oberen Produktionszone nach den Fig. 13A und 13B ist.
Es läßt sich zeigen, daß das Verhältnis der beiden Detektor-Zählwerte aufgrund des Durchflusses-durch das Produktionsrohrgestänge im Energiefenster A durch Gleichung (11) ausdrückbar ist: CTA,1 = eK/vT 11 CT A,2 in welcher K = A A s, t S der Detektorabstand, vT die lineare Fließgeschwindigkeit der Wasserströmung in dem Produktionsrohrgestänge (in cm/sec) und # = 0,0936 sec-1 ist.
In entsprechender Weise läßt sich das Zählwertverhältnis der beiden Detektoren aufgrund Wasserströmung außerhalb der Verrohrung im Energiefenster A durch Gleichung (12) wie folgt angeben: C 1,A = eK/VF, CF1,A = eK/vF , CF 2,A in welcher v die lineare Fließgeschwindigkeit der unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung ist und K die vorstehend angegebene Bedeutung hat.
Der Zählwert CA,1 läßt sich nunmehr schreiben CA,1 = CTA,2 eK/VT + CFA,2 eK/VF (13) und der Zählwert CA,2 läßt sich schreiben CA,2 = CTA,2 + CFA,2 . (14) Wenn Gleichung (14) nach CRA,2 aufgelöst und dann in Gleichung (13) eingesetzt wird, läßt sich der Zählwert CA,1 ausdrücken durch CA,1 = CA,2 eK/VT - CFA,2 eK/VT + CFA,2 eK/VF (15) In entsprechender Weise läßt sich eine Gleichung für den Zählwert im Energiefenster CB,1 wie folgt herleiten: CB,1 = CB,2 eK/VT - CFB,2 eK/VT + CFB,2 eK/VT (16) wobei hier ebenfalls der Zählwert CFB,2 ausgedrückt werden kann durch CFB,2 = CFB,1 e-K/VF (17) Wenn nun Gleichung (17) in Gleichung (16) eingesetzt wird ergibt sich Gleichung (18) für den Gesamtzählwert CB,1 wie folgt CB,1 = CB,2 eK/VT - CFB,1 (eK/VF + 1) (18) Der Zählwert CFA,2 ist dabei vorgegeben durch Gleichung (19) CFA,2 = CFB,1 L(Rf) e -K(VF (19) In Gleichung (19) ist L(Rf) eine Funktion von Rf, d.h. dem Abstand zwischen der Mitte der Sonde und der Mitte der Strömung hinter der Verrohrung. Diese Funktion ist jedoch bereits für bestimmte geometrische Versuchsbedingungen im Schaubild von Fig. 6 dargestellt. In entsprechender Weise läßt sich ein analytischer Ausdruck für die Funktion L(R) bei bestimmtem geometrischem Aufbau der Bohrloch sonde nach Gleichung (20) angeben.
L(R) = 6,5 - 0,8 R (20) Durch Einsetzen von Gleichung (19) in Gleichung (15) wird Gleichung (21) wie folgt erhalten: CA,1 = CA,2eK/VT - CFB,1 L(Rf)(eK/VTe-K/VF + 1) (21) Wenn Gleichung (18) in Gleichung (21) eingesetzt wird, ergibt sich Gleichung 22: CA,1 =eK/VT (CA,2 -L(Rf)CB,2) + L(Rf)CB,1 oder (22) VT = K/ln CA,1 - L(Rf) CB,1 CA,2 -L L(Rf) CB,2 Gleichung (22) läßt sich nach der unbekannten Funktion L(Rf) lösen, welche durch Gleichung (22-a) angegeben ist.
CA,1 - L(RT) CB,1 VF = K/ln ------------- (23) CA,2 - L(RT) CB,2 Wie anhand Fig. 13A ersichtlich, ist der Abstand RT von der Mitte der Bohrlochsonde zur Mitte des Produktionsrohrgestänges 307 im allgemeinen bekannt oder läßt sich mit annehmbarer Genauigkeit schätzen. Daher kann Gleichung (20) zur Berechnung der Funktion L(RT) aus RT benutzt werden.
Die übrigen Ausdrücke auf der rechten Seite von Gleichung (23) sind bekannte (K) oder gemessene Größen (CA 1 CA,2, CB,1 und CB,2) Daher läßt sich Gleichung (23) nach der linearen Fließgeschwindigkeit vF des Wassers hinter der Verrohrung lösen. Gleichung (15) läßt sich somit entsprechend Gleichung (23) umschreiben, womit sich ergibt: CA,1 - CA,2 eK/VT CFA,2 = ---------- (24) e-K/VF - e-K/VT) Der Ausdruck VT, d.h. die lineare Fließgeschwindigkeit innerhalb des Produktionsrohrgestänges 307 läßt sich aus dem (üblicherweise bekannten) Wasserdurchsatz und dem Querschnitt des Produktionsrohrgestänges 307 berechnen. Die übrigen Ausdrücke auf der rechten Seite von Gleichung (24) sind entweder bekannt (K) oder lassen sich berechnen (VF) oder messen (CA,1 und CA,2). Damit läßt sich Gleichung (23) nach CA,2 lösen Nach Berechnung von vT in der vorstehend beschriebenen Weise und anhand der gemessenen Größen CA 1 CA 2 CB,1 und CB,2 läßt sich Gleichung (22a) nach L(RF) lösen. Dieser Wert für L(RF) läßt sich dann in Gleichung (20) einsetzen, um RF, d.h. den Radialabstand zwischen der Mitte der Sonde und der Mitte der Wasserströmung der Verrohrung zu erhalten.
Anhand des sich aus Gleichung (23) ergebenden Werts VF, des aus den Gleichungen (22a) und (20) erhaltenen Werts RF und des aus Gleichung (24) erhaltenen Werts für CFA,2 läßt sich Gleichung (7) zur Berechnung des Volumendurchsatzes VF an Wasser hinter der Verrohrung verwenden, wobei Ci = CFA,2, R = RF, V = VF und Q eine empirisch bestimmte Eichkonstante ist.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist selbstverständlich in gleicher Weise anwendbar oberhalb und unterhalb der Perforationen in der oberen Produktionszone eines Mehrkanal- Produktionsbohrlochs, so daß sich Flüssigkeitsströmung sowohl in nach oben als auch nach unten weisender Richtung auf sich gegenüberliegenden Seiten der Perforationen ermitteln läßt. Damit ist eine Unterscheidung möglich gegenüber der bekannten Strömung innerhalb der Produktionszone durch das von einer tieferen Produktionszone kommende Produktionsrohrgestänge, da diese bekannte Strömung einen unterschiedlichen Abstand gegenüber jeder nur denkbaren unerwünschten und außerhalb der Verrohrung verlaufenden Wasserströmung aufweist.
Wenn jedoch die beiden in den Fig 13A und 13B dargestellten Produktionszonen einen gegenseitigen Abstand von 100 m oder mehr aufweisen, so daß unerwünschte Strömungen in einer Produktionszone durch Einstellen der Produktion in einer tieferen Produktionszone nach allem Dafürhalten eigentlich nicht beeinflußt werden können, ist natürlich wesentlich einfacher, die Produktion aus der tieferen Produktionszone einzustellen, um jede Beeinträchtigung der Messungen aufgrund der innerhalb des Produktionsrohrgestänges durch diese obere Produktionszone hindurchgeführten Flüssigkeitsströmung auszuschalten. Wenn jedoch, wie oben ausgeführt, die beiden Produktionszonen so dichtobeieinander liegen, daß die Einstellung der Produktion in einer Zone nicht wünschenswert ist, um die Arbeitsparameter in beiden Produktionszonen möglichst nicht zu verändern, kann das vorstehend beschriebene Verfahren dazu benutzt werden, um eine Unterscheidung zwischen Wasserströmung außerhalb der Verrohrung und Wasserströmung durch das Produktionsrohrgestänge innerhalb der Verrohrung zu treffen.
Die theoretischen Grundlagen beziehen auch die Fälle mit ein, bei denen sich zwei oder mehrere Produktionszonen in einer größeren Tiefe als die untersuchte Produktionszone befinden und im Förderbetrieb stehen. In diesem Falle wird der vorstehend beschriebene Verfahrensgang anhand der theoretischen Grundlagen entsprechend angepaßt, um sämtliche Strömung komponenten in allen durch die zu untersuchende Produktionszone hindurchführenden Produktionsrohrgestängen einzeln zu erfassen und zu berücksichtigen.
Zur Ausführung der Messungen wird die einen kleinen Außendurchmesser (von 43 mm) aufweisende Bohrlochsonde durch das Produktionsrohrgestänge hindurch in die zu untersuchende Produktionszone abgesenkt Stationäre Zählwertmessungen der Sauerstoffaktivierung werden dann in den beiden Energiefenstern A und B sowohl oberhalb als auch unterhalb der Perforationen in der Produktionszone ausgeführt, wobei sich die Detektoren in der beschriebenen Weise zunächsto unterhalb und dann oberhalb der Neutronenquelle befinden. Die Zählwerte werden in der beschriebenen Weise in die Rechnungen eingesetzt. Der Volumendurchsatz V und die lineare Fließgeschwindigkeit v unerwünschter Wasserströmungen hinter der Verrohrung lassen sich auf diese Weise ermitteln.
Patentansprüche: -

Claims

Patentansprüche : 1Verfahren zum Messen des Durchsatzes an unerwünschtem Wasser hinter der Verrohrung eines Produktionsbohrlochs durch Einführen einer Bohrlochsonde in einen zu untersuchenden Bohrlochbereich, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der zu untersuchende Bohrlochbereich vermittels einer in der Bohrlochsonde (24, 104, 206) enthaltenen Neutronenquelle (21, 126), die zur Ausführung der Kernreaktion o16 (n,p) N16 geeignete schnelle Neutronen aussendet, mit Neutronen bestrahlt, die beim Zerfall des instabilen Stickstoffisotops N16 entstehende Gammastrahlung vermittels zwei in der Bohrlochsonde enthaltener und in Sonden längsrichtung in einem gegenseitigen Abstand voneinander und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordneter Detektoren (25; 124, 125) ermittelt wird, der aufgefangenen Gammastrahlung entsprechende Signale erzeugt und entsprechend vorbestimmten Beziehungen zur Herleitung eines Volumendurchsatzmeßwerts an den unerwünschten Wasserdurchsatz hinter der Verrohrung (102, 201, 310) in der untersuchten Bohrlochtiefe darstellenden elementaren Sauerstoffkernen verarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale entsprechend einer vorbestimmten Beziehung zur Herleitung eines dem unerwünschten Wasserdurchsatz hinter der Verrohrung in der untersuchten Bohrlochtiefe entsprechenden Meßwerts für Richtung und Fließgeschwindigkeit von elementaren Sauerstoffkernen verarbeitet werden und die lineare Fließgeschwindigkeit zur Herleitung des gesuchten Wasserdurchsatzes angesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialabstand der unerwünschten Wasserströmung von den Detektoren geschätzt und zusammen mit der linearen Fließgeschwindigkeit entsprechend einer zweiten vorbestimmten Beziehung zu einem Wert für den Volumendurchsatz verarbeitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, insbesondere an einem durch Verrohrungsperforationen produzierenden Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (104, 206) in der zu untersuchenden Bohrlochtiefe in einer oberhalb oder unterhalb der Verrohrungsperforationen (106, 202, 308, 309) befindlichen Höhe angeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde nach Ausführung einer ersten Meßreihe in einer oberhalb oder unterhalb der Perforationen befindlichen Höhe aus-dem Bohrloch (100) herausgezogen, die gegenseitige Lage von Neutronenquelle und Detektoren umgekehrt, dann die Bohrlochsonde in einer entsprechend unterhalb oder oberhalb der Perforationen befindlichen Höhe angeordnet und in dieser Höhe eine zweite Meßreihe ausgeführt wird
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gammastrahlung nur innerhalb eines vorbestimmten Energiebereichs des dem Zerfall von N16 entsprechenden Gammastrahlungsenergiespektrums gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Neutronen liefernde Neutronenquelle (21, 126) in kontinuierlicher Emission betrieben wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Energiebereich auf von etwa 4,45 MeV bis zu etwa 7,20 MeV eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Neutronen liefernde Neutronenquelle (21, 126) in pulsierender Emission betrieben wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Energiebereich auf von etwa 2,0 MeV bis zu etwa 7,20 MeV eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Neutronenstöße auf angenähert 1 msec Dauer eingestellt wird und angenähert 100 Neutronenstöße pro Sekunde erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlungsmessung im Anschluß an jeden Neutronenstoß erfolgt und vor Beginn des nächstfolgenden Neutronenstoßes beendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Gammastrahlungsmessung angenähert 3 msec nach Ende jedes Neutronenstoßes begonnen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den Radialabstand der unerwünschten Strömung (23) von den Detektoren eine etwas größere Strecke als der Verrohrungsaußenhalbmesser angesetzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Radialabstand ein den Verrohrungsaußenhalbmesser um 12 bis 38 mm überschreitender Wert angesetzt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß Messung und Signalverarbeitung bei gleichzeitiger Fortbewegung der Bohrlochsonde mit bekannter Geschwindigkeit durch den zu untersuchenden Bohrlochbereich erfolgen.
17. Verfahren nach Anspruch 5, 16 und einem der Ansprüche 6 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde zur Ausführung der ersten Meßreihe mit bekannter Geschwindigkeit in einer Richtung, und zur Ausführung der zweiten Meßreihe mit bekannter Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung an den Perforationen vorbeigeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale wenigstens eines Detektors in wenigstens zwei getrennte und unterschiedlichen Gammastrahlungsenergiebereichen entsprechende Signale aufgespalten werden, ein dem Verhältnis dieser wenigstens zwei Energiepegelsignale entsprechendes Verhältnissignal erzeugt wird und die Signale beider-Detektoren entsprechend einer ersten vorbestimmten Beziehung zur Herleitung eines Meßwerts für die lineare Fließgeschwindigkeit unerwünschter Wasserströmung hinter der Verrohrung in einer bevorzugten Richtung verarbeitet werden, aus dem Verhältnissignal entsprechend einer zweiten vorbestimmten Beziehung ein Meßwert für den Radialabstand wenigstens eines Detektors von der unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung hergeleitet wird, und die Meßwerte für die lineare Fließgeschwindigkeit und den Radialabstand entsprechend einer dritten vorbestimmten Beziehung zu einem Meßwert für den Volumendurchsatz der unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung verarbeitet werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalaufspaltung die Zählwerte des Detektors in zwei verhältnismäßig breiten Energiebereichen des Gammastrahlungsspektrums, welche jeweils verhältnismäßig hohen und niedrigen Energien entsprechen, unterschieden werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden getrennten Energiebereiche-die Bereiche von etwa 3,25 MeV bis etwa 4,0 MeV, sowie von etwa 4,9 MeV bis 6,5 MeV angesetzt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 20, dadurch gekennzeichnet, daß Messung und Signalverarbeitung in zwei Meßreihen mit jeweils umgekehrter Anordnung von Neutronenquelle und Detektoren ausgeführt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß Messung und Signalverarbeitung bei gleichzeitiger Fortbewegung der Bohrlochsonde mit bekannter Geschwindigkeit durch den zu untersuchenden Bohrlochbereich erfolgen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 22, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Neutronen liefernde Neutronenquelle in kontinuierlicher Emission betrieben wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18- 22, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Neutronen von angenähert 14 MeV liefernde,Neutronenquelle in pulsierender Emission betrieben wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 24, insbesondere bei Gasdruckförderung durch ein Produktionsrohrgestänge von verhältnismäßig kleinem Durchmesser ohne Unterbrechung der Förderung, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (206) durch das Produktionsrohrgestänge (204, 307) hindurch in eine oberhalb oder unterhalb der produzierenden Perforationen (202; 308, 309) befindliche Höhe eingefahren wird.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 24, insbesondere bei Gasdruckförderung in einem Mehrkanal- Produktionsbohrloch ohne Unterbrechung der Förderung, bei dem ein zu einer unteren Produktionszone führendes Produktionsrohrgestänge bekannten Durchmessers-durch eine obere Produktionszone hindurch verläuft und eine nach oben gerichtete Wasserströmung von bekanntem Durchsatz führt, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (206) durch das Produktionsrohrgestänge (307) hindurch in eine oberhalb oder unterhalb der produzierenden Perforationen (308) in der oberen Produktionszone (303) befindliche Höhe eingefahren wird und in wenigstens zwei Energiebereichen des Gammastrahlungsspektrums aus hinter der Verrohrung befindlicher unerwünschter Wasserströmung und dem Wasserdurchsatz durch das Produktionsrohrgestänge wenigstens vier voneinander getrennte Zählsignale erzeugt und entsprechend einer ersten vorbestimmten Beziehung zur Herleitung eines Meßwerts für die lineare Fließgeschwindigkeit einer unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung in der oberen Produktionszone kombiniert werden, sowie der bekannte Wasserdurchsatz und die lineare Fließgeschwindigkeit des aus der unteren Produktionszone über das Produktionsrohrgestänge durch die obere Produktionszone hindurchgeführten Wassers mit den wenigstens vier getrennten Zählsignalen entsprechend einer zweiten vorbestimmten Beziehung zur Herleitung eines Meßwerts für den Volumendurchsatz an unerwünschtem Wasser hinter der Verrohrung in der oberen Produktionszone kombiniert werden.
27. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 26, mit einer in ein verrohrtes Bohrloch einführbaren, baukastenförmig zusammengesetzten, flüssigkeitsdicht abgeschlossenen und druckfesten Bohrlochsonde, d a d u r c h g e k e n n z e i chn e t , daß die Bohrlochsonde (24, 104, 206) aus wenigstens drei Baugruppen zusammengesetzt ist, nämlich einer einen Neutronengenerator (94) enthaltenden ersten Baugruppe (126), einer wenigstens zwei in einem gegenseitigen Abstand in Längsrichtung angeordnete Gammastrahlungsdetektoren (71, 72, 124, 125) und eine Neutronenabschirmung enthaltenden zweiten Baugruppe (93) und einer Steuer- und Signalübertragungselektronik enthaltenden dritten Baugruppe (92, 127) besteht, wobei erste und zweite Baugruppe endseitig in der Weise miteinander verbindbar sind, daß sich unter Beibehaltung der Längsabstände zwischen Neutronenquelle und Detektoren eine der beiden oberhalb der jeweils anderen befindet, und das an der Erdoberfläche befindliche Gerät (114 - 122) zur Herleitung des Volumendurchsatzes an unerwünschtem Wasser hinter der Verrohrung dienende Signalverarbeitungseinrichtungen umfaßt.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Baugruppe (126) ein Hochspannungsspeisegerät (95) angeordnet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronengenerator (94) aus einem Neutronenbeschleuniger besteht, mit dem nach dem Prinzip der Deuterium-Tritium-Kernreaktion monoenergetische Neutronen von angenähert 14 MeV erzeugbar sind.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 - 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlungsdetektoren aus thalliumaktivierten und optisch mit Photovervielfachern gekoppelten Lichtszintillationskristallen (71, 72) bestehen.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gammastrahlungsdetektoren aus einem inneren, zylindrischen Detektorkristall (71) und einem koaxial zu diesem angeordneten, äußeren, als Zylindergehäuse ausgebildeten Detektorkristall (72) bestehen.
32: Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 - 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Neutronengenerator und Detektoren unabhängig von der Zusammenbaureihenfolge zwischen 50 und 127 cm beträgt.
33. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochspannungsspeisegerät aus einem Spannungsvervielfacher nach Cockroft-Walton besteht.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27- 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrlochsondenaußendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser einer Bohrlochverrohrung (in2, 201, 310) bemessen ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 40 - 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrlochsondenaußendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser eines verhältnismäßig engen Produktionsrohrgestänges (204, 307) bemessen ist.