DE2726977C2

DE2726977C2 -

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Publication number: DE2726977C2
Application number: DE2726977A
Authority: DE
Inventors: Dan Mccay Arnold; Hans Juergen Houston Tex. Us Paap
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-15
Publication date: 1990-08-02
Also published as: NO772169L; MX5044E; AU2572677A; GB1569654A; NO147008B; BR7704005A; CA1070857A; DE2726977A1; US4071757A; NO147008C; AU504431B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der linearen Fließgeschwindigkeit und des Volumendurchsatzes einer außerhalb der Verrohrung an einem Produktionsbohrloch vorhandenen, unerwünschten Wasserströmung nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Unerwünschte Strömungskanäle entlang eines verrohrten Bohrlochabschnitts zwischen Produktionsbereichen sind ein bereits seit langem bekanntes Problem bei der Erdölförderung. Der Zutritt von Frisch- oder Salzwasser aus einem benachbarten, wasserführenden Sand in einen erdölhaltigen Produktionssand kann dazu führen, daß das über die Bohrung gewonnene Erdöl so stark verunreinigt ist, daß eine Fort setzung der Förderung aufgrund des "Wassereinbruchs" nicht mehr wirtschaftlich ist. In gleicher Weise kann bei Brunnen zur Gewinnung von Oberflächenwasser für die Trinkwasser versorgung von Gemeinden in entsprechender Weise eine Verunreinigung des gewonnenen Trinkwassers durch aus be nachbarten Sanden zutretendes Salzwasser auftreten, wo durch das Trinkwasser ohne aufwendige Aufbereitung für den menschlichen Verbrauch ungeeignet wird.

In beiden Fällen hat sich anhand langjähriger Erfahrung gezeigt, daß die Verunreinigung von Frischtrinkwasser oder produzierenden Erdölsanden in vielen Fällen auf uner wünschte Wasserkanäle aus benachbarten Sanden entlang dem Ringraum zwischen der zum Rückhalten der Bohrlochwände dienenden Stahlverrohrung und der Bohrlochwandung selbst zurückzuführen ist. Die für diese Zwecke verwendete Stahlverrohrung wird im allgemeinen an Ort und Stelle ein zementiert. Wenn nach Beendigung der Bohrarbeiten eine einwandfreie Primärzementierung erfolgt ist, ergeben sich keine Schwierigkeiten aufgrund Flüssigkeitskanälen zwi schen produzierenden Bereichen. In manchen Gebieten der Welt erfolgt die Erdölförderung typischerweise jedoch aus sehr lose verfestigten, hoch durchlässigen Sanden, die auch bei einwandfreier Primärzementierung zu einem späteren Zeitpunkt in der Nähe des Bohrlochs zusammenfallen können. Das kann wiederum zur Wanderung von Wasser aus einem benachbarten, wasserführenden Sand entlang der äußeren Zementhülle in den Produktionsbereich führen. Das Problem unerwünschter Flüssigkeitskanäle stellt sich auch dann, wenn die Primärzementierung aufgrund benachbarter Flüssigkeitsströmungen Schaden nimmt. Außerdem kann eine an sich einwandfreie Primärzementhülle über ihre Länge auch Längskanäle oder Hohlräume aufweisen, durch welche hindurch eine unerwünschte Flüssigkeitsverbindung zwischen benachbarten, wasserführenden Sanden und dem Produktions bereich auftreten kann.

Eine weitere mögliche Ursache für unerwünschte Flüssigkeits verbindungen entlang dem Bohrloch zwischen ölproduzieren den Bereichen und benachbarten, wasserführenden Sanden er gibt sich aufgrund des sogenannten "Mikroringraums" zwi schen der Verrohrung und der Zementhülle. Diese Erschei nung ist darauf zurückzuführen, daß beim Eindrücken des Zements vom Boden der Verrohrung aus in den Ringraum zwi schen der Verrohrung und den Erdformationen (oder ggf. auch durch Perforationen in der Verrohrung hindurch) das Verrohrungsgestänge üblicherweise einem hohen hydrostatischen Druckdifferential ausgesetzt ist, unter welchem der Zement in den Ringraum eingedrückt wird. Dieses hohe Druckdifferential kann zu einer Ausdehnung der Verrohrung führen. Bei den anschließend herrschenden niedrigeren Produktionsdrücken kann sich die zuvor ausgedehnte Ver rohrung wieder zusammenziehen und dabei von der im Ring raum zwischen der Verrohrung und den Erdformationen aus gebildeten Zementhülle ablösen. Dadurch kann es zur Aus bildung eines Hohlraums zwischen der Verrohrung und der Zementhülle kommen, der manchmal als "Mikroringraum" be zeichnet wird. Wenn sich die Verrohrung während der Primärzementierung (wie z. B. in einem sehr tiefen Bohrloch, für welches hohe hydrostatische Drücke erforderlich sind) weiter ausgedehnt hat, bildet sie bei ihrem Zusammenziehen einen ausreichend breiten Mikroringraum aus, der eine Flüssigkeitsverbindung aus benachbarten, wasserführenden Sanden zu den Produktionsperforationen zuläßt und damit zu einem unerwünschten Wassereinbruch führen kann.

Es ist bereits mit unterschiedlichen Mitteln versucht wor den, das Vorhandensein von Kanälen im Zement festzustellen. Weiterhin ist gleichfalls versucht worden, das Vorhandensein von Wasserströmungen im Mikroringraum zu ermitteln und zu messen. Vielleicht die erste dieser bekannten Maß nahmen besteht in der Untersuchung der Zementbindung ver mittels Schallwellen. Bei dieser Bohrlochprüfung wird die Amplitude der von einem Schallsender abgegebenen und sich entlang der Verrohrung fortpflanzenden Schallwellen von einem oder mehreren Schallempfängern aufgefangen und unter sucht. Wenn eine feste Verbindung zwischen der Verrohrung, der Zementhülle und den Erdformationen besteht, sollte die sich entlang der Verrohrung fortpflanzende Schallenergie im Prinzip von der Verrohrung nach außen in den Zement und die diesen umgebenden Erdformationen abgestrahlt werden, so daß es zu einer entsprechenden Dämpfung der Amplitude des Verrohrungssignals kommt. Bei schlechter Bindung der Verrohrung mit der Zementhülle oder der Zementhülle mit den Erdformationen sind Hohlräume vorhanden, so daß die Schall energie in der Verrohrung verbleiben und mit wesentlich höherer Amplitude auf die Schallempfänger treffen sollte als bei Vorhandensein einer guten Zementbindung zwischen der Verrohrung, der Zementhülle und den Erdformationen.

Durch die Untersuchungen der Zementbindung vermittels Schall wellen läßt sich jedoch nicht immer zuverlässig das Vor handensein eines Mikroringraums ermitteln, welcher, wie oben ausgeführt, eine unerwünschte Flüssigkeitsverbindung zwi schen wasserführenden Sanden und benachbarten Produktions bereichen bewirken kann. Wenn der Mikroringraum ausreichend klein und mit Flüssigkeit gefüllt ist, wird die sich entlang der Verrohrung fortpflanzende Schallenergie durch diesen Ringraum übertragen. Andererseits hat sich jedoch gezeigt, daß auch kleine Mikroringräume zu einer unerwünschten Flüssigkeitsverbindung zwischen produzierenden Bereichen führen können. In entsprechender Weise bleibt eine nicht einwandfreie Zementierung bei Untersuchungen vermittels Schallwellen unter Umständen unentdeckt, wenn die Zement hülle von vielen, unsymmetrisch um ihren Umfang herum ver teilt ausgebildeten Kanälen oder Hohlräume durchsetzt ist. Derartige Kanäle oder Hohlräume können jedoch unerwünschte Flüssigkeitsströmungen zulassen, obgleich die Zementhülle im großen ganzen gesehen gut mit der Verrohrung und den Erdformationen gebunden ist, so daß die Schallenergie da her einigermaßen einwandfrei von der Verrohrung nach außen durch die Zementhülle hindurch in die Formationen über tragen wird. Aus diesem Grunde sind derartige Bohrloch meßverfahren, bei denen die Zementbindung vermittels Schall wellen untersucht wird, nicht zuverlässig genug zur Ent deckung unerwünschter Flüssigkeitsverbindungen an einem produktreifen oder produzierenden Bohrloch.

Es wurde auch schon versucht, Hohlräume oder Kanäle in der Zementhülle in der Weise ausfindig zu machen, daß radio aktive Spurenelemente, wie z. B. Jod 131 oder dgl., durch die Produktionsperforationen hindurch in die Produktionsformationen und ggf. vorhandene Hohlräume in dem die Verrohrung umgebenden Ringraum gedrückt werden. Dabei geht man von der Annahme aus, daß die Spurenelemente im Gegenstrom zu unerwünschten Strömungen gedrückt werden können und ihre radioaktive Strahlung dann hinter der Verrohrung ver mittels entsprechender Strahlungsdetektoren ermittelt wer den kann. Derartige Bohrlochprüfverfahren haben sich jedoch als unzureichend erwiesen, insbesondere in lose ver festigten Sandformationen, d. h., gerade da, wo am ehesten mit unerwünschten Flüssigkeitsströmungen zu rechnen ist.

Bei besonders gut durchlässigen Formationen wie z. B. lose verfestigten Sanden kann die produzierende Formation den größten Teil der durch die Perforationen in die Formation abgegebenen radioaktiven Spurenelemente aufnehmen, so daß höchstens nur ein ganz geringer Teil der Spurenelemente im Gegenstrom zur unerwünschten Strömung gedrückt werden kann, und dieses Vorgehen ist noch besonders kritisch, wenn die Spurenelemente gegen den Druck von Formationsflüssigkeit eingedrückt werden oder entgegen der Schwerkraft nach oben fließen sollen. Aus diesen Gründen haben sich auch diese Meßverfahren vermittels Spurenelementen als ungeeignet erwiesen zum Ermitteln von Kanälen oder Hohlräumen im Zement hinter, d. h. außerhalb der Verrohrung.

Alle bekannten Versuche zur Ermittlung und Messung uner wünschter Flüssigkeitsströmungen außerhalb der Verrohrung lassen sich somit als Untersuchungen an der Zementhülle bezeichnen.

Aus der US-Patentschrift 36 03 795 ist es bekannt, die Fließgeschwindigkeit von innerhalb eines Bohrlochs zusammen mit anderen Komponenten wie Gas und Öl strömenden Wassers zu bestimmen. Hierzu wird eine Bohrlochsonde in das Bohrloch eingeführt, die eine Neutronenquelle sowie in Sondenlängs richtung in einem gegenseitigen Abstand voneinander und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordnete Gamma strahlendetektoren aufweist. Die emittierten Neutronen haben eine Energie, die zur Auslösung der Kernreaktion O¹⁶(n, p)N¹⁶ ausreicht. Beim Zerfall des instabilen Isotops N¹⁶ entsteht Gammastrahlung, die von den Detektoren gemessen wird. Aus dem mit beiden Detektoren erhaltenen Zählratenverhältnis wird die Fließgeschwindigkeit des Wassers bestimmt. Dieses bekannte Verfahren dient jedoch nicht zur Untersuchung einer außerhalb der Verrohrung des Bohrlochs fließenden Wasserströmung und ermöglicht es insbesondere nicht, den Volumendurchsatz und den Winkel einer Wasserströmung relativ zur Bohrlochachse zu ermitteln.

Gegenstand des älteren Patents 26 50 345 ist ein Verfahren zum Messen des Volumendurchsatzes an Wasser außerhalb der Verrohrung des Bohrlochbereichs, bei dem entsprechend den im Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen vorgegangen wird. Bei diesem Verfahren wird vorausgesetzt bzw. unterstellt, daß die zu ermittelnde Wasserströmung parallel zur Bohrlochlängsrichtung verläuft.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die lineare Fließgeschwindigkeit und den Volumendurchsatz einer Wasserströmung auch für den Fall zu bestimmen, daß die Wasserströmung einen Winkel mit der Bohrlochlängsachse einschließt und dabei auch einen Wert für diesen Winkel zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren beruht auf der Aktivierung elementarer Sauerstoffkerne, die in der unerwünschten Wasserströmung vorhanden sind und einen Teil derselben bilden, durch ernergiereiche Neutronen. Die Quelle energie reicher Neutronen wird zu diesem Zweck innerhalb des Bohr lochs gegenüber dem Bereich eingefahren, welcher auf das Vorhandensein von Kanälen im Zement oder unerwünschten Flüssigkeitsströmungen entlang der Zementhülle untersucht werden soll. Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Quelle monoenerge tischer Neutronen mit einer Energie von angenähert 14 MeV zur Neutronenbestrahlung der Umgebung des untersuchten Bohrloch- Bereichs eingesetzt. Beim Einfangen eines Neutrons von angenähert 10 MeV wird ein Kern von Sauersoff 16 zu radio aktivem Stickstoff N¹⁶ umgewandelt. Der radioaktive Stick stoff N¹⁶ zerfällt mit einer Halbwertzeit von etwa 7,1 sec., wobei ein Betateilchen emittiert wird und energiereiche Gammastrahlung im Bereich von angenähert 6 MeV oder höher entsteht. Wenn der Fluß an Neutronen von 10 MeV, mit welchem die unerwünschte Wasserströmung in einem Hohlraum in der Zementhülle oder im Microringraum bestrahlt wird, ausreichend hoch ist, wird in dieser unerwünschten Wasser strömung ausreichend viel radioaktiver Stickstoff N¹⁶ erzeugt, so daß dieser vermittels der beiden Detektoren ermittelt werden kann.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Geo metrie einer einzelnen Meßsonde für die Er mittlung einer nichtparallel zur Bohrloch achse verlaufenden Wasserströmung.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Meßwerte, die bei Ermittlung einer Wasserströmung mit einer kontinuierlich arbeitenden Neutronen quellen-Meßsonde bei Vorhandensein und bei Nichtvorhandensein einer Wasserströmung er halten werden.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Meßwerte, die bei Ermittlung einer Wasserströmung mit einer pulsierend arbeitenden Neutronen quellen-Meßsonde bei Vorhandensein und bei Nichtvorhandensein einer Wasserströmung er halten werden.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der spektralen Gammastrahlungsdegradation für zwei unter schiedliche Entfernungen der Gammastrahlen quelle von einem Detektor.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung des Zählwert verhältnisses für zwei Energiefenster eines Detektors in Abhängigkeit vom Meßabstand.

Fig. 6A, 6B und 6C sind schematische Darstellungen einer baukastenförmig ausgebildeten Bohr lochmeßsonde für die Ausführung des er findungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer verrohrten Bohrung dienenden Vor richtung.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung des Zeit- und Meßwert-Übertragungsformats bei der Er mittlung von Wasserströmung nach dem er findungsgemäßen Verfahren.

Vor Beschreibung der zur Messung des Wasserdurchsatzes usw. hinter, d. h. außerhalb der Verrohrung entsprechend dem er findungsgemäßen Verfahren verwendeten Vorrichtungen seien hier die theoretischen Grundlagen für die Messung darge stellt.

Das Verfahren beruht auf der Erzeugung des instabilen radio aktiven Isotops Stickstoff 16 in der zu ermittelnden, uner wünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung. Zu diesem Zweck wird die Wasserströmung mit energiereichen Neutronen von mehr als 10 MeV beschossen. Durch diesen Neutronen beschuß können Wasserstoffkerne der Wassermoleküle in der Wasserströmung durch Kernumwandlung in das instabile Stick stoffisotop 16 entsprechend der Kernreaktion O¹⁶(n, p)N¹⁶ umgewandelt werden.

Fig. 1 zeigt die durch Neutronenquelle und Detektor(en) verlaufende Achse einer in das Bohrloch abgelassenen, flüssigkeitsdicht ausgebildeten Bohrloch-Meßsonde, die einen Neutronengenerator 11 für Neutronen von 14 MeV und einen Gammastrahlendetektor 12 aufweist. Der Mittelpunkt des Gammastrahlendetektors 12 befindet sich in einem Ab stand S (in cm) von dem Mittelpunkt des Neutronengenerators 11. Außerdem ist eine Wasserströmung 13 dargestellt, die in bezug auf die Verbindungslinie zwischen Generator und Detektor (Generator-Detektor-Achse) der Bohrlochsonde unter einem Winkel R und mit ihrem Mittelpunkt, d. h. ihrer Mittel linie, durch den Neutronengenerator 11 verläuft. Die lineare Fließgeschwindigkeit des Wassers in der Wasserströmung sei v. Es sei angenommen, daß bei Annäherung der Wasserströmung an den Neutronengenerator 11 ein Volumenelement mit der Länge a und mit der Querschnittsfläche F durch Neutronen bestrahlt ("beschossen") wird, welche aufgrund der Kern reaktion O¹⁶(n, p)N¹⁶ das Stickstoffisotop N¹⁶ erzeugen. Somit kommt es zur Entstehung der Aktivität n×λ von N¹⁶ innerhalb eines Volumenelements, während dieses an dem Neutronengenerator vorbeifließt, wobei

in welcher
n = die Anzahl der durch die Reaktion O¹⁶(n, p)N¹⁶ erzeugten radioaktiven Kerne N¹⁶
λ = die Zerfallskonstante von N¹⁶ in sec^-¹
n = der Neutronenausstoß des Neutronengenerators/cm²/sec
N _o = die Avogadro′sche Zahl
d = die Dichte von Wasser in g/cm³
M = das Molekulargewicht von Wasser
K _S(R_S) = eine vom Abstand R _S abhängige Funktion, wobei R _S vom Mittelpunkt des Generators zum Mittel punkt des Volumenelements gemessen ist
T = a/v= die Zeit, gemessen in Sekunden, während welcher das Volumenelement die Strecke a zu rücklegt
v = die lineare Fließgeschwindigkeit in cm/sec.

Es sei nun angenommen, daß sich das aktivierte Volumen element dem im Abstand S (in cm) von dem Neutronengenerator befindlichen Detektor nähert. Außerdem sei angenommen, daß die mittlere Wirkungslänge des Detektors b (in cm) beträgt.

Die Anzahl der Zählungen des Detektors bei der Vorbei bewegung des Volumenelements ist nach Gleichung (2):

in welcher K _D(R_D) eine vom Abstand R _D abhängige Funktion ist, welcher von der Mitte des Detektors zur Mitte des Wasservolumenelements gemessen ist, und G eine die Geome trie und den Wirkungsgrad des Detektors berücksichtigende Konstante ist. Die Ausdrücke t₁ und t₂ entsprechen den Zeiten, welche das Volumenelement benötigt, um jeweils die Strecke s bzw. s+u zurückzulegen (siehe Fig. 1).

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß s, welches von der Stelle gemessen wird, an welcher das Volumenelement den Wirkungs grenzbereich des Neutronengenerators verläßt, bis zu der Stelle, an welcher es in den wirksamen Meßbereich des Detek tors (Stelle E) eintritt, sich zusammensetzt aus

s = p + q (3)

Es gilt jedoch

und

p=r(a/2)=[(a/2)/cos R](a/2) (5)

Wenn nun Gleichungen (4) und (5) in Gleichung (3) eingesetzt werden, erhält man

Die zur Fortbewegung des Volumenelements durch die Strecke s benötigte Zeit beträgt daher

In entsprechender Weise gilt

Wenn Gleichungen (7) und (8) in Gleichungen (2) eingesetzt werden, erhält man

Die Anzahl der Zählungen pro Sekunde, C, des Detektors läßt sich wie folgt schreiben:

Es gilt jedoch

t₂-t₁=u/v=b/v cos R=bF/V cos R (11)

in welcher V der Durchsatz in cm³/sec ist. Durch Einsetzen von Gleichungen (9) und (11) in Gleichung (10) erhält man

in welcher

Es wird angenommen, daß der Neutronenfluß Φ _n, mit dem ein vorgegebenes Wasservolumenelement bestrahlt wird, in seiner Intensität als Funktion von 1/R _S² abnimmt, wenn sich das Volumenelement in einem Abstand R _S von dem Generator be findet. In entsprechender Weise wird angenommen, daß die vom Detektor aufgefangene Strahlung als Funktion von 1/R _D² abnimmt, wenn der Abstand R _D vom Detektor zunimmt.

Unter den beiden vorgenannten Annahmen läßt sich der Aus druck K _S(R_S)K_D(R_D) wie folgt schreiben:

K _S(R_S)K_D(R_D)=P R _S ^-² R _D ^-² (13)

wobei P eine Eichkonstante ist. Wenn die Gleichung (13) in Gleichung (12) eingesetzt wird, erhält man:

Wenn ein zweiter Detektor in einem Abstand S von dem Neutronengenerator eingesetzt wird, entsprechen die Meßwerte beider Detektoren der Gleichung (14). Das Verhältnis der Meßwerte von (näherem) Detektor 1 zu (weiter entferntem) Detektor 2 beträgt dann

in welcherS₂ und S₁ die Abstände von der Mitte des Neutro nengenerators zur Mitte von Detektor 2 bzw. Detektor 1, und R₂ und R₁ die Radialabstände von der Mitte der Wasser strömung zur Mitte des Detektors 2 bzw 1 sind. Wenn die Gleichung (15) nach v aufgelöst wird, erhält man

Dabei läßt sich R ausdrücken durch

R = tan^-¹[(R₂-R₁)/(S₂-S₁)] (17)

Da S₁ und S₂ bekannte Parameter der Bohrlochsonde, und C₁ und C₂ Meßgrößen sind, sowie R₁ und R₂ auf die weiter unten im einzelnen beschriebene Weise meßbar sind, lassen sich die Gleichungen (16) und (17) verwenden zur Ermittlung von

1) v, der linearen Fließgeschwindigkeit,
2) R, dem Winkel, unter welchem die Wasserströmung die Achse der Bohrlochsonde (und damit die Bohr lochachse) schneidet.

Wenn die Wasserströmung auf Flüssigkeitsbewegungen inner halb einer Formation zurückzuführen ist, deren Ebene die Achse des Bohrlochs unter einem Winkel R schneidet, läßt sich folgende Annahme machen:

R _S=R _BH (18)

in welcher R _BH der Bohrlochhalbmesser und im allgemeinen aus Durchmessermessungen des Bohrlochs bekannt ist. Wenn Gleichung (18) gilt, sind sämtliche Ausdrücke in Gleichung (14) für entweder Detektor 1 oder Detektor 2 entweder be kannt (Σ, a,b λ und S), durch Eichung der Sonde bestimmbar (Φ _n, G, P), lassen sich berechnen (v, R, R _D) oder mit Ausnahme von V messen (C). Gleichung (14) läßt sich daher nach V, dem Volumendurchsatz des Wassers unter dem Wirnkel R im Bohrloch bereich auflösen. V ist selbstverständlich der primär interessierende Parameter bei der Ermittlung von Wasser strömung.

Wie aus vorstehenden Erläuterungen ersichtlich, lassen sich durch Verwendung einer Bohrlochsonde, die einen Neutronen generator für Neutronen von 14 MeV und zwei Gammastrahlen detektoren enthält, die lineare Fließgeschwindigkeit v, der Winkel R der Strömung und der Wasserdurchsatz V her leiten, wenn der Abstand von der Mitte von zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Detektoren zur Mitte der Wasserströmung mit annehmbarer Genauigkeit gemessen werden kann.

Bei der Betrachtung der Anwendbarkeit und der Beschränkungen bei der Ermittlung von Wasserströmungen hinter einer Ver rohrung ist erforderlich, die Meßgenauigkeit für v zu untersuchen. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, daß die Gleichung (16) zur Berechnung von v dient und das Verhältnis C₁/C₂ enthält, bei dem es sich um das Zählver hältnis im näher und weiter entfernten Detektor der Meß vorrichtung handelt. Das Verhältnis C₁/C₂ ist von Haus aus mit einem statistischen Fehler behaftet, da der nukle are Zerfall des Stickstoffisotops N¹⁶ statistisch erfolgt. Dieser statistische Fehler im Verhältnis C₁/C₂ ist eine umgekehrte Funktion der Größe von C₁ und C₂ und daher ab hängig von jedem die Größe von C₁ und C₂ beeinflussenden Parameter. Die Messungen können außerdem durch andere Parameter, wie den Abstand zwischen der Neutronenquelle und den Detektoren S₁ und S₂, den Abstand R _D von der Mitte eines Detektors zur Mitte der Strömung, der Querschnittsfläche F der Strömung, den Wirkungsgraden der Gammastrahlendetektoren G, den Zählintervall T, dem Neutronenfluß Φ _n und der bei Nichtvorhandensein einer Wasserströmung gezählten Gamma strahlung des Hintergrunds (Störpegel) beeinflußt sein. Wenngleich die meisten der genannten Parameter nicht unmittelbar in Gleichung (16) erscheinen und daher die Größe von v nicht beeinflussen, wirken sie sich doch auf die Genauigkeit aus, mit welcher v gemessen werden kann.

Fig. 2 zeigt eine typische Aufzeichnung eines Gammastrah lungsspektrums bei Vorhandensein und bei Abwesenheit einer Wasserströmung. Die Intensität der von einem einzigen, in einem Abstand von dem Neutronengenerator angeordneten Gamma strahlendetektor aufgefangenen Gammastrahlung ist in Fig. 2 in Abhängigkeit von der Energie aufgetragen. Bei Vorhandensein von Wasserströmung sind die für den Zerfall von N¹⁶ typischen Gammastrahlen-Fotospitzen bei 7,12 und 6,13 MeV und die diesen entsprechenden Produktionsentweichspitzen (production escape peaks) wohl definiert. Bei Nichtvorhandensein von Strömung ist gleichfalls eine geringe Neigung zu Spitzenwertbildung zu beobachten. Diese ist auf die Aktivierung von Sauerstoff 16 in der Formation und im Bohr loch in der Nähe der Neutronenquelle zurückzuführen und wird von dem Detektor auch bei einem Abstand von 54,7 cm aufgefangen, bei dem die in den Fig. 2 und 3 dargestell ten Meßwerte erhalten wurden. Dieses Hintergrundspektrum enthält außerdem Strahlung aus von der Formation, der Ver rohrung und der Sonde eingefangenen thermischen Neutronen. Es läßt sich zeigen, daß diese Hintergrundstrahlung aus geschaltet werden kann, wenn die Neutronenquelle in der nachstehend beschriebenen Weise pulsierend betrieben wird.

Der größte Teil der auf prompte Neutronen zurückzuführenden Gammastrahlung tritt binnen 1 Millisekunde nach Aufhören eines Neutronenimpulses auf. Wenn die Neutronenquelle bei spielsweise eine Millisekunde lang betrieben wird und die Detektoren erst 3 Millisekunden nach Beendigung des Neutro nenstoßes aktiviert werden, ist in der Zwischenzeit die auf prompte Neutronen zurückzuführende Gammastrahlung auf einen vernachlässigbar geringen Wert abgesunken. Wenn dann die auf Sauerstoffaktivierung zurückzuführende Gamma strahlung während eines Zeitraums von angenähert 6 Milli sekunden gezählt wird, läßt sich die auf die verhältnis mäßig hohe Störpegel- oder Hintergrundstrahlung zurückzu führende Gammastrahlung entsprechend der Darstellung in Fig. 3 wesentlich verringern. Dieser ganze Arbeitstakt aus Impuls, Verzögerung und Zählung wird angenähert 100 mal pro Sekunde wiederholt. Natürlich kann es aus anderen Gründen wünschenswert sein, die Neutronenquelle kontinuierlich zu betreiben, was , wie aus Fig. 2 ersichtlich, durchaus möglich ist, wobei jedoch eine höhere, auf Hintergrundstrahlung zurückzuführende Zählung in Kauf genommen werden muß.

Wenngleich die Impulsdauer der Neutronenquelle bei Impuls betrieb nur 10% der Gesamtzeit beträgt, ist der Neutronen ausstoß bei angeschalteter Neutronenquelle um angenähert den Faktor 10 größer als bei kontinuierlichem Betrieb. So mit ist das Neutronenausstoßintegral bei Impulsbetrieb und bei kontinuierlichem Betrieb angenähert gleich groß. Bei Impulsbetrieb liegt die Taktzeit der Detektoren bei ange nähert 60% (d. h. 6 Millisekunden in einem Zeitraum von ins gesamt 10 Millisekunden). Wenn das in Fig. 1 dargestellte Zählfenster für Energie (von angenähert 4,45 MeV bis zu angenähert 7,20 MeV), das bei kontinuierlichem Betrieb der Neutronenquelle verwendet wird, auch bei Impulsbetrieb ver wendet wird, würde der Netto-Zählwert aus dem Zerfall des instabilen Isotops N¹⁶ auf angenähert 60% des bei kon tinuierlichem Betrieb erhaltenen Zählwerts herabgesetzt. Bei Impulsbetrieb wird jedoch praktisch keine, auf prompte Neutronen zurückzuführende Gammastrahlung gezählt. Da ab gesehen von dem instabilen Isotop N¹⁶ oberhalb 2,0 MeV keine andere nennenswerte Strahlungsaktivierung eines Ele ments erfolgt, kann bei Impulsbetrieb das zur Energiezäh lung verwendete Zählfenster von angenähert 2,0 bis zu an genähert 7,20 MeV ausgedehnt werden. Durch diese Bereichs änderung des Zählfensters ergeben sich zusätzliche Zähl werte für aufgrund Compton-Streuung energiedegradierte Gamma strahlung bei 6,13 und 7,21 MeV infolge Sauerstoffaktivie rung mit entsprechend höheren Zählwerten, welche die Verluste aufgrund der nur 60% betragenden Arbeitszeit der Detektoren bei Impulsbetrieb ausgleichen. Fig. 3 veranschaulicht die wesentliche Verringerung der Hintergrundstrahlung bei Im pulsbetrieb. Für die in Fig. 3 dargestellten Messungen wurde der gleiche Abstand zwischen Neutronengenerator und Detektor (von 54,7 cm) wie bei den Messungen von Fig. 2 verwendet, wobei der Detektor im Bereich des vorgenannten weiteren Energiezählfensters arbeitete.

Somit kann kurz zusammengefaßt werden, daß bei Impulsbetrieb des Neutronengenerators die Höhe des aufgrund der Sauerstoff aktivierungsreaktion erhaltenen Signals angenähert gleich groß bleibt, dagegen die Hintergrundstrahlung wesentlich verringert wird, indem die auf prompte Neutronen zurückzu führende Strahlung nicht gemessen wird. Diese Steigerung des Signal-Geräusch-Abstands im Zählsignal führt zu einer Verringerung des statistischen Fehlers für das Verhältnis C₁/C₂.

Die Bestimmung der Abstände R wird wie folgt ausgeführt:
Anhand der vorstehend angegebenen Gleichungen (16) und (17) lassen sich die lineare Fließgeschwindigkeit v und der Winkel R der Wasserströmung hinter der Verrohrung messen, sofern die Radialabstände von der Mitte der Wasserströmung zur Mitte des näheren bzw. des weiter entfernten Detektors, d. h. R₁ und R₂, bestimmbar bzw. meßbar sind. Die Größe R läßt sich auf die nachstehend beschriebene Weise messen.

Diese zweite, bis jetzt noch nicht beschriebene Technik zur Bestimmung von R (konzentrisch zur Achse des Bohrlochs) läßt sich als spektrale Gammastrahlungsdegradationstechnik be zeichnen. In Fig. 4 sind schematisch zwei Gammastrahlungs spektren für den Zerfall von radioaktivem Wasserstoff 16 dar gestellt, das durch Sauerstoffaktivierung einer Wasserströmung vermittels einer zur Ausführung des hier beschriebenen Ver fahrens geeigneten Bohrlochsonde erzeugt worden ist. Beide Spektren von Fig. 4 sind mit dem gleichen Detektor der Bohr lochsonde aufgenommen und veranschaulichen die Zählwerte ein und desselben Detektors in der Bohrlochsonde für Wasser strömungen, deren Mittelpunkte sich jeweils R₁ bzw. R₂ cm von der Mitte des Detektors entfernt befinden. Die gestrichelte Kurve in Fig. 4 zeigt das Gammastrahlungsspektrum aus dem Zerfall von radioaktivem Stickstoff 16 in einer Wasserströmung, deren Mitte einen Abstand R₁ von angenähert 7,51 cm von der Mitte des Detektors der Sonde aufweist. Die ausgezogene Kurve in Fig. 4 zeigt ein Gammastrahlungsspektrum aus dem Zerfall von radioaktivem Stickstoff 16 in einer Wasserströmung, deren Mitte einen Abstand R₂ von angenähert 17,68 cm von der Mitte des Detektors aufweist. Somit ist in der grafischen Darstellung von Fig. 4 R₂ größer als R₁. Die Doppelpfeile in Fig. 4 deuten zwei Energiezählfenster A und B an. Das Zählfenster A unfaßt die Foto- und Entweichspitzenwerte des radioaktiven Stickstoffs 16 im Bereich von 7,12 und 6,13 MeV, die auf Primärstrahlung zurückzuführen sind, welche den Detektor ohne vorherige Zusammenstöße, d. h. aufgrund von Compton- Streuung, erreichen. Im Zählfenster B wird primäre Gamma strahlung gemessen, deren Energie durch Zusammenstöße (Comp ton-Streuung) degradiert, d. h. verringert ist.

Wenn C _A(R) der in Fenster A für einen willkürlichen Wert von R gemessene Zählwert, und C _B(R) der in Fenster B für einen willkürlichen Wert von R gemessene Zählwert ist, läßt sich zeigen, daß

C _A(R₂)/C _B(R₂)<C _A(R₁)/C _B(R₁)

für

R₂<R₁ (19)

Die sich auf diese Weise in Gleichung (19) ergebenden Ver hältnisungleichheiten C _A/C_B sind darauf zurückzuführen, daß ein größerer Anteil der primären Gammastrahlung von 6,13 und 7,12 MeV durch Zusammenstöße mit dem dazwischen befind lichen Material degradiert wird, wenn der Abstand R zwischen der aktivierten Wasserströmung und dem Detektor zunimmt. Wenn daher ein System zur Ermittlung von Wasserströmung entsprechend der spektralen Degradation als Funktion des Radialabstands R geeicht wird, stellt es ein Instrument zur Bestimmung des unbekannten Radialabstands R von der Strömungsmitte dar. Dieser Abstand R kann dann in den Glei chungen (14), (16) und (17) zur quantitativen Bestimmung des Volumendurchsatzes V, der linearen Fließgeschwindigkeit v und des Winkels R der Wasserströmung benutzt werden.

In Fig. 5 sind grafisch die Ergebnisse einer experimentellen Eichung des Zählwertverhältnisses C _A/C _B, gemessen unter be kannten Strömungsbedingungen als Funktion von R, in Ver bindung mit den entsprechenden Meßfehlerbereichen aufge tragen. Fig. 5 zeigt außerdem die Ergebnisse einer Monte- Carlo-Computerberechnung für eine punktförmige Gammastrah lungsquelle von 6,13 MeV in unterschiedlichen Abständen R von einem Gammastrahlendetektor. Die Monte-Carlo-Berech nungen beruhen auf der Wahrscheinlichkeitstheorie und dienen zur Vorhersage der nicht durch Zusammenstöße beein trächtigen oder nicht degradierten Gammastrahlung als Funktion des Radialabstands von Quelle zu Detektor unter Ansatz der bekannten physikalischen Gesetze der Compton- Streuung. Wie aus dem Schaubild von Fig. 5 ersichtlich, besteht eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den Meßwerten und den anhand der Monte-Carlo-Berechnungen er haltenen Meßdaten.

Vermittels der nachstehend beschriebenen, zur Ermittlung von Wasserströmungen dienenden Bohrlochmeßsonde mit zwei Detektoren läßt sich das Zählwertverhältnis in den beiden ausgewählten Energiefenstern C _A und C _B für beide Detektoren messen.

Der Radialabstand R₁ von der Mitte der Wasserströmung zur Mitte des näherliegenden Detektors läßt sich dann dadurch bestimmen, daß das Verhältnis der für Hintergrundstrahlung korrigierten Zählwerte C _A/C _B, das anhand Detektor 1 er mittelt worden ist, mit der in Fig. 5 dargestellten Beziehung verglichen wird. In gleicher Weise läßt sich der Radialabstand R₂ von der Mitte der Wasserströmung zur Mitte des weiter entfernten Detektors dadurch ermitteln, daß das für Hintergrundstrahlung korrigierte Verhältnis der Zähl werte C _A/C _B, welches von Detektor 2 ermittelt worden ist, mit der in Fig. 5 dargestellten Beziehung verglichen wird. Die dabei erhaltenen Werte für R₁ und R₂ dienen in Verbin dung mit den zuvor bestimmten Zählwerten C₁ und C₂ zur Berechnung der linearen Fließgeschwindigkeit v und des Fließwinkels R anhand der Gleichungen (16) und (17). Ver mittels der Gleichung (14) läßt sich nach Bestimmung von R und v auch der Volumendurchsatz V herleiten.

Die zur Ausführung der vorstehend beschriebenen Fließwasser messung verwendete Vorrichtung beruht auf der Aktivierung der Kerne von Sauerstoff 16 durch Einfangen von Neutronen, deren Energie gleich oder größer ist als 10 MeV. Handels übliche Neutronengeneratoren dieser Art beruhen auf der Deuterium-Tritium -Reaktion zur Erzeugung eines Flusses energiereicher Neutronen ausreichend hoher Intensität, mit denen die entsprechenden Messungen ausführbar sind. Der artige, auf der Deuterium-Tritium-Reaktion beruhende Neu tronengeneratoren werden im allgemeinen als Neutronenbe schleuniger bezeichnet.

Neutronenbeschleuniger weisen einen luftleeren Kolben auf, in dem sich an einem Ende ein mit einem hohen Tritiumpro zentsatz dotiertes Ziel (Target) befindet. Dieses Ziel wird in bezug auf die Quelle der zu diesem hin beschleunig ten Deuteriumkerne auf einem hohen negativen Potential (von angenähert 125 kV) gehalten. Am entgegengesetzten Ende des luftleeren Kolbens befinden sich eine Ionenquelle und eine üblicherweise als Auffrischer (Replenisher) bezeichnete Quelle für Deuteriumkerne. Im Betrieb erzeugt der Neutronen beschleuniger in der Ionenquelle konzentriert Deuteriumionen, die durch elektrostatische Linsen in ein Bündel fokussiert und durch das hohe negative Potential zum Zielmaterial hin beschleunigt werden, welches mit den Tritiumkernen dotiert ist. Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung werden die elektrostatischen Coulomb-Abstoßkräfte zwischen den Deute riumkernen und den Tritiumkernen überwunden, so daß eine thermonukleare Verschmelzungsreaktion stattfindet und Neu tronen verhältnismäßig hoher Intensität von angenähert 14 MeV erzeugt werden.

Da zur Ausführung der vorstehend beschriebenen Fließwasser messung die Verwendung eines Neutronenbeschleunigers er forderlich ist, ergeben sich Probleme im physikalischen Aufbau der Bohrlochsonde. Diese sind darauf zurückzu führen, daß zur Erzeugung des Potentials von angenähert 125 kV, welches die Neutronenquelle zur Beschleunigung der Deuteriumionen benötigt, ein Hochspannungsgerät erforderlich ist. Ein zu diesem Zweck geeignetes leistungsfähiges Hochspannungsgerät ist ein Mehrstufen-Cockroft-Walton-Spannungs vervielfacher. Diese Schaltung, mit der die für eine Beschleunigerröhre erforderliche Hochspannung erzeug bar ist, benötigt in einer Bohrlochsonde eine erhebliche Längenausdehnung, um die Spannungsvervielfacherstufen in Längsrichtung der Bohrlochsonde hintereinander anzuordnen und gleichzeitig ausreichend gegeneinander zu isolieren, um Spannungsdurchbrüche im Isolatorbereich zu verhindern.

In den Fig. 6A, 6B und 6C ist schematisch eine zur Aus führung von Fließwassermessungen geeignete Bohrlochsonde dargestellt. Diese besteht aus mehreren Bauteilen, die in unterschiedlicher geometrischer Zuordnung miteinander kom biniert werden können, um Wasserströmungen hinter, d. h. außerhalb der Verrohrung entsprechend den vorstehend be schriebenen Prinzipien messen zu können. Am oberen Ende der Sonde befindet sich ein Kopfstück 91 das eine Länge von angenähert 25,4 cm aufweist. Mit dem Kopfstück 91 ist ein Steuerungs- und Detektorelektronikteil 92 verbunden, der eine Länge von angenähert 190,5 cm aufweist. Der Detek torabschnitt 92 enthält zwei Gammastrahlendetektoren, die aus mit Thallium aktivierten Natriumjodid-Kristalldetektoren (in Zylinderform mit den Abmessungen von etwa 5×10 cm) bestehen können, sowie eine Eisenabschirmung an dem dem Neutronengenerator zugewandten Ende des Abschnitts 92. Unter halb des Detektorabschnitts befindet sich entsprechend Fig. 6A ein Bauteil, welcher den Neutronengenerator 94 und das Hochspannungsgerät 95 für eine Hochspannung von 125 kV um faßt. Die bevorzugten Abstände zwischen der Neutronen quelle und den Detektoren betragen bei zusammengebautem Instrument wie aus Fig. 6B ersichtlich jeweils 58,4 bzw. 106,7 cm. Die Neutronenquelle und das Hochspannungsgerät weisen zusammen eine Gesamtlänge von angenähert 238 cm auf. Am unteren Ende der Bohrlochsonde befindet sich ein Rund kopf 96, der dazu dient, das untere Sondenende zu schützen, wenn die Sonde in Berührung mit dem Boden des Bohrlochs oder einem in diesem befindlichen Hindernis gelangt.

Die Schwierigkeiten ergeben sich aufgrund der großen Länge (von 238 cm) des Hochspannungsgerätes. Zur Ermittlung und Messung einer nach oben fließenden Wasserströmung wird die Strömung zunächst an einer Neutronenquelle und dann erst an den Detektoren vorbeigeführt. Damit ergibt sich der in Fig. 6B dargestellte Zusammenbau, bei welchem der Detektor abschnitt 93 der Bohrlochsonde oberhalb von Neutronen generator 94 und Hochspannungsgerät 95 angeordnet ist. Wenn dagegen eine nach unten gerichtete Wasserströmung er mittelt und gemessen werden soll, ist der in Fig. 6C dar gestellte Zusammenbau erforderlich, so daß die nach unten gerichtete Wasserströmung zuerst an der Neutronenquelle und dann an den Gammastrahlendetektoren vorbeifließt und somit die Ausführung der vorstehend beschriebenen Messungen möglich wird. Bei dieser zweiten Anordnung müssen daher der Neutronengenerator 24 und das Hochspannungsgerät 95 innerhalb der Bohrlochsonde oberhalb des Detektorabschnitts 93 angeordnet sein.

Da sich die Gammastrahlendetektoren innerhalb eines nicht zu großen Abstands von dem Ziel des Neutronengenerators befinden dürfen, muß sich das mit Tritium dotierte Ziel des Neutronengenerators 94 so dicht wie möglich an der Ab schirmung des Detektorabschnitts 93 der Sonde befinden. Daher muß der den Neutronengenerator 94 und das Hoch spannungsgerät 95 aufnehmende Bauteil doppelseitig ver wendbar sein, d. h. an seinen beiden Enden identische An schlüsse aufweisen, damit er sowohl in der in Fig. 6B als auch in der in Fig. 6C dargestellten Anordnung in die Bohr lochsonde eingebaut werden kann, um nach oben bzw. nach unten gerichtete Wasserströmungen zu messen. In gleicher Weise sind sämtliche Bauteile der in Fig. 6 dargestellten Bohrlochsonde baukastenförmig ausgebildet. Die Verbindung der Bauteile untereinander kann durch flüssigkeitsdichte Schraubverbindungen erfolgen, welche durch entsprechende Dichtungen gegen das Eindringen von Bohrflüssigkeit geschützt sind.

Die in Fig. 6 dargestellte Bohrlochsonde ist außerdem mit einem Zentrierglied 97 versehen, das aus zylindrischen Gummiarmen oder dgl. bestehen kann, die von der Sondenoberfläche nach außen in Eingriff mit der Innenwand der Ver rohrung vorstehen, wenn die Sonde zu Meßzwecken in das Bohr loch abgesenkt wird. Die Arme des Zentrierglieds 97 halten den Körper der Sonde in einer mittigen Lage innerhalb der Verrohrung, so daß zur Ausführung von Messungen eine zylin drische Symmetrie gegeben ist. Wenn nämlich die Sonde gegen die Seitenwand der Verrohrung anliegen würde, könnte das dazu führen, daß eine auf der gegenüberliegenden Seite der Verrohrung vorhandene Wasserströmung nicht angezeigt wird, da sich aufgrund des größeren Abstands zwischen Neu tronenquelle und Detektoren zur Wasserströmung eine ver ringerte Empfindlichkeit ergibt.

Der Elektronikteil 92 der Bohrlochsonde dient, wie weiter unten beschrieben, zur Steuerung der Arbeitsweise des Neutro nengenerators 94 und zum Anlegen der Hochspannung an die Detektoren, welche sich im Detektorabschnitt 93 der Sonde befinden. Der Elektronikteil 92 liefert außerdem zu Beginn jedes Neutronenstoßes Synchronisierungsimpulse und ent hält Schaltungen, vermittels welcher die von den Detektoren abgegebenen Impulssignale und die Synchronisierungsimpulse über das Meßkabel zur Erdoberfläche übertragen werden.

In Fig. 7 ist eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Bohrlochmeßvorrichtung in Verbindung mit einer in ein Bohrloch abgelassenen Bohrlochsonde und den an der Erdoberfläche befindlichen Geräten schematisch dargestellt. Die Bohrlochsonde 104, welche den anhand der Fig. 6A, 6B und 6C beschriebenen baukastenförmigen Aufbau aufweist, ist vermittels eines bewehrten Meßkabels 111 in ein Bohrloch 100 abgesenkt und in diesem vermittels Zentriergliedern 105 zentrisch im Inneren der Verrohrung 102 gehalten. Das ver rohrte Bohrloch ist mit Bohrflüssigkeit 101 gefüllt. Die in Fig. 7 dargestellte Bohrlochsonde enthält zwei Gamma strahlendetektoren 124 und 125, die entsprechend der Anord nung nach Fig. 6C unterhalb des Neutronengenerators angeord net sind, um eine nach unten gerichtete Wasserströmung hinter der Verrohrung 102 zu messen. Die Bohrlochsonde umfaßt außerdem das Spannungsgerät für 125 kV und die Neutronen quelle 126, welche in der vorstehend beschriebenen Weise aus gebildet sind. Der Elektronikteil 127 der Bohrlochsonde 104 entspricht dem Elektronikteil 92 in den Darstellungen der Fig. 6A, 6B und 6C.

Das Bohrloch 100 ist durch Erdformationen 123, 107, 108 und 109 niedergebracht. Auf einer Seite der das verrohrte Bohr loch umgebenden Zementhülle 103 ist ein Zementkanal 110 dargestellt, welcher eine nach unten gerichtete unerwünschte Wasserströmung aus einem wasserführenden Sand 107 zu einem ölführenden Sand 109 zuläßt, der von dem wasserführenden Sand 107 durch eine Schieferlage 108 getrennt ist. Wenn sich die Bohrlochsonde 104 in der dargestellten Lage befin det und Detektoren und Neutronenquelle entsprechend der Dar stellung von Fig. 7 zueinander angeordnet sind, gestattet die Bohrlochsonde 104 die Ermittlung und Messung einer uner wünschten Wasserströmung aus dem wasserführenden Sand 107 durch den Zementkanal 110 hindurch in den ölführenden Sand 109. Durch Perforationen 106 in der Verrohrung 102 hin durch können Flüssigkeiten aus dem produzierenden, ölfüh renden Sand in das Bohrloch 100 eintreten, wobei gleich zeitig der durch den Zementkanal 110 zufließende Wasser strom in das Bohrloch 100 gelangt. Mit der Anordnung von Fig. 7 durchdringen energiereiche Neutronen, die von der Neutronenquelle 126 abgegeben werden, die Stahlverrohrung 102 und aktivieren den elementaren Sauerstoff in der aus dem wasserführenden Sand 107 durch den Zementkanal 110 fließenden Wasserströmung. Die Wasserströmung im Zementkanal 110 fließt an den Detektoren 124 und 125 vorbei, so daß an schließend auf den Zerfall des radioaktiven Stickstoffs 16 zurückgehende Gammastrahlung in der vorstehend beschriebenen Weise durch die Detektoren 124 und 125 aufgefangen wird. Die Detektoren 124 und 125 geben entsprechende elektrische Impulse ab, deren Impulshöhe proportional ist der Energie der auf die Detektoren auftretenden Gammastrahlung. Diese Impulse gelangen über den Elektronikteil 127 der Sonde in das Meßkabel 111 und werden über dieses in der nachstehend beschriebenen Weise zur Erdoberfläche übertragen.

Das in Fig. 8 dargestellte Zeitdiagramm der Vorrichtung von Fig. 7 veranschaulicht die über das Meßkabel 111 abge gebenen Impulse. Die die Energie der auf die Gammastrahlen detektoren 124 und 125 einfallenden Gammastrahlen darstel lenden elektrischen Impulse sind im oberen Teil des Dia gramms von Fig. 8 dargestellt, während der untere Teil die Taktsteuerung für die Vorrichtung von Fig. 7 zeigt. Wie aus diesem Zeitdiagramm ersichtlich, wird im Zeitpunkt T=0 ein Neutronenstoß von 1 msec Dauer ausgelöst, der sich über einen Zeitraum von 1 msec bis zu T=1 erstreckt. Gleich zeitig mit der Auslösung des Neutronenstoßes in der Bohr lochsonde wird durch den Elektronikteil 127 der Sonde ein Synchronisierungsimpuls großer negativer Amplitude erzeugt und in die Leiter des Meßkabels 111 eingespeist. Die Am plitude des Synchronisierungsimpulses ist größer als die größtmöglichen, von den Detektoren abgegebenen Meßimpulse. Elektrische Impulssignale, die willkürlich verteilt auf tretende und auf die Detektoren D1 und D2 in der Sonde 104 auftreffende Gammastrahlen darstellen, werden kontinuierlich vermittels des Elektronikteils 127 über das Meßkabel 111 zur Erdoberfläche übertragen. Die Impulse von Detektor D1 werden dem Meßkabel als Spannungsimpulse negativer Polari tät zugeführt, während die den auf den Detektor D2 auftref fenden Gammastrahlen entsprechenden Impulse als Spannungs impulse positiver Polarität in das Meßkabel eingespeist werden. An der Erdoberfläche befindet sich ein Impuls trenner 115, welcher die vom Detektor D1 abgegebenen Impulse von den vom Detektor D2 abgegebenen Impulsen aufgrund ihrer elektrischen Polarität unterscheidet. Die Impulse negativer Polarität werden einem Synchronisationsimpulsdetektor 118 und dem einen Eingang eines Zeitgatters 116 zugeführt. Die positiven Impulse von Detektor D2 werden an einem Eingang eines Zeitgatters 117 angelegt.

Der Synchronisationsimpulsdetektor 118 erfaßt die negativen Synchronisationsimpulse großer Amplitude aufgrund ihres Amplitudenwerts und gibt 4 msec nach Auslösen des Neutronen stoßes Ansteuerimpulse an die Zeitgatter 116 und 117 ab. Zwischen dem Ende des Neutronenstoßes und der Ansteuerung der Zeitgatter 116 und 117 durch den Synchronisationsimpuls detektor 118, welcher gleichzeitig als Taktimpulsgenerator wirkt, liegt somit ein Zeitraum von 3 Millisekunden.

Die Ausgangssignale beider Detektoren D1 und D2, welche aus statistisch verteilt und willkürlich auftretenden Meß wertimpulsen bestehen, werden kontinuierlich über das Meß kabel 111 übertragen, jedoch aufgrund der Zeitgatter 116 und 117 nicht kontinuierlich in die nachgeschaltete Schaltung durchgeschaltet, sondern nur während eines Zeitintervalls von 5,85 msec, das 4 msec nach dem Zeitpunkt T=0 beginnt, und wie aus dem Zeitdiagramm von Fig. 8 ersichtlich bis zu 9,5 msec nach T=0 andauert.

Bei Ansteuerung der Zeitgatter 116 und 117 durch einen An steuerimpuls von Synchronisationsimpulsdetektor 118 werden die von den beiden Detektoren 124 und 125 in der Bohrloch sonde abgegebenen Meßimpulse an die Eingänge jeweils eines Impulshöhenanalysators 119 bzw. 120 angelegt. Diese Impuls höhenanalysatoren bewirken die vorstehend beschriebene spek trale Energieaufspaltung der Gammastrahlung entsprechend den vorstehend beschriebenen Energiefenstern, welche von beiden Detektoren 124 und 125 in der Bohrlochsonde 104 angezeigt worden ist. Vermittels der vorstehend beschriebenen spek tralen Degradationstechnik läßt sich, wie anhand der Eich kurve von Fig. 5 beschrieben, der Abstand R von der Mitte des Detektors zur Mitte der Wasserströmung im Zementkanal 110 herleiten. Zu diesem Zweck wird die energiediskriminierte Impulshöheninformation aus den Impulshöhenanalysatoren 119 und 120 einem kleinen Rechner 121 zugeführt, der beispiels weise aus einem Mehrzweck-Digitalrechner vom Typ PDP-11 (Hersteller Digital Equipment Corporation of Cambridge, Mass., V.St.v.A.) bestehen kann. Der Rechner 121 wendet auf die energiediskriminierte Information die anhand Fig. 5 beschriebene Zählverhältnistechnik an und ermittelt somit den Abstand R von der Mitte der Wasserströmung zur Mitte eines oder beider Detektoren.

Mit den vorstehend beschriebenen Beziehungen für die Be stimmung von R kann ein derartiger Mehrzweck-Digitalrechner beispielsweise in einer herkömmlichen Programmierkompiler sprache wie z. B. Fortran oder dgl. programmiert sein, um die zur Herleitung der linearen Fließgeschwindigkeit v, des Fließwinkels R, des Volumendurchsatzes V und des Abstandes R erforderlichen Berechnungen ausführen zu können. Die die gewünschte Information darstellenden Ausgangssignale werden vom Rechner 121 in ein Aufzeichnungsgerät 122 eingegeben, das, wie durch die gestrichelte Linie 113 angedeutet, elek trisch oder mechanisch mit einer Laufrolle 112 gekoppelt ist, so daß sich die aufgezeichneten interessierenden Größen als Funktion der Tiefe der Bohrlochsonde im Bohrloch darstellen lassen.

In entsprechender Weise kann die von den Mehrkanal-Impuls höhenanalysatoren 119 und 120 verarbeitete Zählinformation gleichfalls dem Aufzeichnungsgerät 122 zugeführt und von diesem als Funktion der Tiefe der Bohrlochsonde 104 im Bohrloch aufgezeichnet werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen der linearen Fließgeschwindigkeit und des Volumendurchsatzes einer außerhalb der Ver rohrung an einem Produktionsbohrloch vorhandenen, unerwünschten Wasserströmung, wobei

a) eine Bohrlochsonde von zum Einführen in das Bohr loch geeigneten Abmessungen mit einer Neutronen quelle, die zur Ausführung der Kernreaktion O¹⁶(n, p)N¹⁶ geeignete schnelle Neutronen aussen det, und mit zwei in Sondenlängsrichtung in einem gegenseitigen Abstand und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordneten Gammastrahlende tektoren auf die Meßtiefe in das Bohrloch eingefah ren wird,
b) die Umgebung des Bohrlochs mit den von der Neutro nenquelle abgegeben energiereichen Neutronen bestrahlt wird,
c) vermittels der Gammastrahlendetektoren beim Zer fall des instabilen Isotops N¹⁶ in der unerwünschten Wasserströmung entstehende Gammastrahlung aufgefangen wird und entsprechende Zählsignale erzeugt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Zählsignale jedes der beiden Detektoren in wenigstens zwei getrennte, unterschiedliche Gamma strahlungsenergiebereichen entsprechende Energie pegelsignale aufgespalten werden und für jeden der beiden Detektoren ein das Verhältnis der zwei Energiepegelsignale darstellendes Verhältnissignal (C _A/C _B) erzeugt wird, um daraus einen Wert für den Radialabstand (R₁, R₂) zwischen dem jeweiligen Detektor und der Wasserströmung zu gewinnen,
e) aus den Werten (R₁, R₂) für die Radialabstände der Wasserströmung von den beiden Detektoren ein Wert für den mit der Bohrlochachse eingeschlossenen Winkel (R) der Wasserströmung hergeleitet wird,
f) die Zählsignale beider Detektoren und die gewonnenen Werte für die Radialabstände (R₁, R₂) und den Winkel (R) zur Ermittlung eines Wertes für die lineare Fließgeschwindigkeit (v) der Wasser strömung kombiniert werden, und
g) die Werte für die lineare Fließgeschwindigkeit (v), den Winkel (R) und den Radialabstand eines der Detektoren sowie dessen Zählsignal (C) zur Ermitt lung des Volumendurchsatzes (V) der Wasserströmung kombiniert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden getrennten Energiebereiche die Bereiche von etwa 3,25 MeV bis zu etwa 4,0 MeV und von etwa 4,9 MeV bis zu etwa 6,5 MeV ausgewählt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde nach Ausführung der Messungen in der gewünschten Meßtiefe aus dem Bohrloch herausgezogen, die Reihenfolge von Neutronenquelle und Gammastrah lendetektoren umgekehrt, die Bohrlochsonde wieder auf die Meßtiefe in das Bohrloch eingefahren wird und die Messungen von neuem ausgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen bei Fortbewegung der Bohrlochsonde mit bekannter Geschwindigkeit durch den interessierenden Meßtiefenbereich erfolgen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Impulsbetrieb arbeitende Neutronenquelle, die Neu tronen im Bereich von angenähert 14 MeV liefert, einge setzt wird und die Umgebung des Bohrlochs wiederholt mit den von der Neutronenquelle abgegebenen schnellen Neutronen bestrahlt wird.