DE3133128C2

DE3133128C2 -

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Publication number: DE3133128C2
Application number: DE19813133128
Authority: DE
Inventors: Ward Edward Schultz; Harold Elmer Peelman; Harry David Smith; Dan Mccoy Houston Tex. Us Arnold
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1980-08-28
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1993-06-24
Also published as: DE3133128A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Rekombinationszeit thermischer Neutronen mit Materialien in und im Bereich von Bohrlöchern gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 15.

Durch die US-A-41 57 469 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Rekombinationszeit thermischer Neutronen in Bohrlöchern und den daran angrenzenden Erdformationen bekannt. Dabei erfolgt eine Messung in drei Zeitintervallen. Aus den in den drei Zeitintervallen erhaltenen Zählraten wird eine einzige Rekombinationszeit bzw. ein Einfangsquerschnitt bestimmt. Außerdem wird eine konstante Untergrundstrahlung berücksichtigt.

Die beobachtete Rekombinationsrate einer Gesamtheit thermischer Neutronen, die durch einen Puls hochenergetischer Neutronen in der Umgebung eines Bohrlochs erzeugt wird, kann unter Berücksichtigung der jeweiligen Bohrloch- und Formationsverhältnisse durch eine Summe von Exponentialausdrücken, die sich auf die Formation und das Bohrloch beziehen, und durch einen zusätzlichen Untergrundausdruck angenähert werden. Unter typischen Feldbedingungen klingt die Bohrlochkomponente der Lebensdauer oder Rekombinationszeit thermischer Neutronen schneller ab als die Formationskomponente der Lebensdauer thermischer Neutronen. Der vorrangig interessierende Parameter ist τ_F, die mittlere Lebensdauer thermischen Neutronen in der Formation. Ein weiterer interessanter Parameter ist τ_B, die mittlere Lebensdauer thermischer Neutronen im Bohrloch. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mittels derer diese interessierenden Parameter gleichzeitig bestimmt werden können.

Die Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art verwenden eine gepulste Quelle schneller Neutronen. Durch Wechselwirkung mit den Kernen der Elemente im Bohrloch, in den das Bohrloch umgebenden Erdformationen und in den in den Porenräumen solcher Formationen enthaltenen Flüssigkeiten werden die schnellen Neutronen rasch auf thermische Energie verlangsamt (abgebremst). Die Lebensdauer oder Rekombinationszeit thermischer Neutronen der Erdformation weitgehend vom Salz- oder Chlorgehalt der Erdformation bestimmt. Die wasserstoffhaltige Materie in den Porenvolumen und im Bohrloch schwächt den von einer gepulsten Quelle schneller Neutronen ausgehenden Neutronenstrom schnell ab. Die auf thermische Energie abgebremsten schnellen Neutronen werden als thermisch bezeichnet und können dann von den Kernen der Elemente der Formationsstruktur, der Flüssigkeiten in der Formationsstruktur und der Materialien im Bohrloch wie der der Bohrlochflüssigkeit der Vermessungsgeräte oder möglicherweise der Bohrlochverrohrung eingefangen werden. Das Element Chlor, das in stark salzhaltigen Bohrlochflüssigkeiten und in Erdformationsflüssigkeiten in den Porenvolumen von Erdformationen in der Umgebung von einem Bohrloch mit hohem Salzgehalt (Natriumchlorid) vorkommt, hat einen sehr hohen Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen. Auf diese Weise kann die Messung der Rekombinationszeit oder Lebensdauer thermischer Neutronen in Erdformationen in der Umgebung eines Bohrlochs die Menge salzhaltiger Flüssigkeiten in den Porenräumen der Formation anzeigen. In Verbindung mit Messungen des Salzgehaltes des Formationswassers, der Porosität und des Schiefercharakters einer Formation ergibt sich eine Kombination, mit deren Hilfe ölgefüllte von salzwassergefüllten Porenräumen in der Umgebung eines Bohrlochs unterschieden werden können.

Verfügbar sind zur Zeit zwei Möglichkeiten zur Messung der Lebensdauer oder Rekombinationszeit thermischer Neutronen in der Umgebung eines Bohrlochs. Beide beruhen auf der Annahme, daß die Materialien im Bohrloch einen signifikant höheren Einfangquerschnitt für thermische Neutronen haben als die sie umgebenden Erdformationen. Unter dieser Annahme kann ein Neutronenpuls von einem im Bohrloch befindlichen Bohrlochvermessungsgerät ausgesandt werden und die Bohrlochkomponente nach einem hinreichenden Zeitraum für den Einfang im wesentlichen aller thermischen Neutronen im Bohrloch durch die darin befindlichen Kerne mit hohem Einfangsquerschnitt unbeachtet bleiben. Danach kann die Rekombinationszeit der Gesamtheit der thermischen Neutronen in den Erdformationen gemessen werden. Solche handelsüblichen Meßgeräte zur Messung der Lebensdauer (oder Rekombinationszeit) thermischer Neutronen sind nachweislich besonders wertvoll für die Auswertung des Förderpotentials von Erdformationen in der Umgebung verrohrter Bohrlöcher. Beide zur Zeit verfügbaren Methoden verwenden ein das Bohrloch durchsetzendes Bohrlochvermessungsgerät mit einer gepulsten Quelle hochenergetischer (14 MeV) Neutronen, die gewöhnlich in einer Deuterium-Tritium-Beschleunigerröhre erzeugt werden.

Die erste handelsübliche Methode arbeitet mit feststehenden Zeitintervallen ("fixed-gate"-Technik). Dabei wird die Neutronenquelle wiederholt gepulst und mit jedem Neutronenpuls eine Wolke schneller Neutronen in allgemein kugelsymmetrischer Verteilung um die Quelle herum in die umgebenden Erdformationen eingebracht. Von dem Gerät im Bohrloch dringt die Neutronenwolke durch den Bohrschlamm, die Verrohrung des Bohrlochs, den Zement zwischen Bohrlochverrohrung und die das Bohrloch umgebenden Erdformationen in die Erdformationen. Dabei hat typischerweise jede solche Neutronenwolke annähernd gleiche Intensität und eine Pulsdauer von 20 bis 50 µs. Die Anzahl der thermischen Neutronen in der Wolke klingt dann durch den Einfang der thermischen Neutronen durch die Kerne in den Erdformationen und im Bohrloch exponentiell ab.

Nach einem dem Neutronenpuls zunächst folgenden Zeitraum (typischerweise ca. 300-400 µs), in dem die entstehende Einfangs-γ-Strahlungsenergie im Bohrloch, Bohrschlamm und in der Bohrlochverrohrung als verteilt und im wesentlichen vernichtet angesehen werden kann, wird während zweier aufeinanderfolgender Zeitintervalle ("gates") von festgelegter Dauer die Anzahl thermischer Neutronen in der Umgebung des Gerätes gemessen. Diese zwei während der konstanten oder aufeinanderfolgenden Zeitintervalle vorgenommenen Messungen können dann zur Bestimmung einer annähernd exponentiellen Zerfallskurve der Gesamtheit der thermischen Neutronen in der das Bohrloch umgebenden Erdformation verwendet werden.

Es wird vorausgesetzt, daß nach dem Neutronenpuls genügend Zeit zum Einfang im wesentlichen aller thermischen Neutronen in der Umgebung des Bohrlochs selbst durch die Kerne der Elemente im Bohrloch verstreicht. Dabei wird angenommen, daß die Bohrloch- Komponente der Rekombinationszeit oder Lebensdauer thermischer Neutronen allgemein kürzer ist als die Erdformationskomponente der Rekombinationszeit oder Lebensdauer thermischer Neutronen. Dies ist gewöhnlich bei Bohrlochflüssigkeiten mit hohem Chlor- oder Salzwassergehalt der Fall. In Luft, Gas, Süßwasser oder Öl enthaltenden Bohrlöchern ist diese Beziehung jedoch nicht immer gegeben.

Die Gesamtheit thermischer Neutronen in der das Bohrloch umgebenden Formation wird während der beiden festgelegten Zeitintervalle nach jedem Neutronenpuls indirekt gemessen, indem die Einfang-γ-Strahlung gemessen wird, die durch den Einfang thermischer Neutronen durch die Kerne der die Erdformationen und die Flüssigkeiten in den darin befindlichen Porenräumen bildenden Stoffe entstehen. Am häufigsten werden beispielsweise in der "fixed gate"-Technik zur Messung der Zerfallzeit thermischer Neutronen Zeitintervalle ("gates") von 400-600 µs und 700-900 µs nach dem Neutronenpuls ausgewählt. Diese werden in typischen Erdformationen ohne Rücksicht auf den Salzgehalt der Flüssigkeit im Bohrloch verwendet. Da diese festgelegten Zeitintervalle zur allgemeinen Verwendung im Bohrloch ohne Rücksicht auf den Salzgehalt ausgewählt sind, sind sie im Hinblick auf eine Maximierung der Zählrate nicht optimiert. Da die Intervalle gegenüber dem Puls um eine relativ lange Zeit verzögert sind, ist die Zählrate während der Intervalle niedriger als beim Optimum für mit salzhaltiger Flüssigkeit gefüllte Bohrlöcher. Dies kann zu statistischen Unsicherheiten bei der Bestimmung des makroskopischen Einfangquerschnitts Σ führen.

Werden Einflüsse der Neutronendiffusion vernachlässigt, so kann die Beziehung für den Zerfall einer Gesamtheit thermischer Neutronen in einem homogenen Medium mit einem makroskopischen Einfangquerchnitt Σ für thermische Neutronen entsprechend Gleichung (1) ausgedrückt werden:

N₂ = N₁e^- ^Σ ^(vt) (1)

wobei N₁ die Anzahl thermischer Neutronen zu einem ersten Zeitpunkt t₁ ist; N₂ ist die Anzahl thermischer Neutronen zu einem späteren Zeitpunkt t₂; e ist die Basis der natürlichen Logarithmen; t ist die Zeit zwischen zwei Messungen, (t₂-t₁), und v ist die Geschwindigkeit der thermischen Neutronen. Der makroskopische Einfangsquerschnitt Σ für thermische Neutronen eines Gesteins (der aus Gleichung (1) erhalten werden kann) hängt von dessen Porosität, struktureller Zusammensetzung, Schiefercharakter, dem Salzwassergehalt der Formation und der Menge und Art des in deren Porenräumen enthaltenen Öls ab. Auf diese Weise stellt diese Größe einen wertvollen physikalischen Parameter oder eine Meßgröße der Formation dar.

Die zweite bekannte und zur Zeit verfügbare Methode zur Messung der Zerfallzeit oder Lebensdauer thermischer Neutronen verwendet ein reziprokes Verhältnis des makroskopischen Einfangquerschnitts Σ für thermische Neutronen, der in Ausdrücken von τ, der Zeitkonstante für die Absorption der thermischen Neutronen, bestimmt ist. Eine der Gleichung (1) analoge Beziehung in Ausdrücken von τ ist

N = N₀e^-t/ ^τ (2)

wobei τ = 1/vΣ. In Gleichung (2) ist N die Dichte der thermischen Neutronen zu einer Zeit t, N₀ ist die Dichte der thermischen Neutronen zu einer Anfangszeit t₀, e ist wieder die Basis der natürlichen Logarithmen, und τ ist die Zeit für den Zerfall der Gesamtheit der thermischen Neutronen auf 1/e ihres Wertes bei t₀.

Bei der Messung der Zerfallzeit thermischer Neutronen unter Verwendung der zweiten, mit veränderlichen Zeitintervallen arbeitenden bekannten Methode ("sliding gate"-Technik) sendet das Bohrlochvermessungsgerät einen Puls schneller Neutronen in die Formation, dessen Dauer gesteuert und zu vorher in den Erdformationen gemessenen Werten in Beziehung gesetzt wird. Der Neutronenpuls kann z. B. die Dauer von einem τ haben. Zur Zählung der Einfang-γ-Strahlung während zweier aufeinanderfolgender Zeitintervalle nach der Erzeugung der Neutronenwolke in der Umgebung des Bohrlochs und zur Bestimmung der exponentionellen Zerfallskurve werden Gammastrahlungsdetektoren verwendet. Dabei werden jedoch die für die Messung der Gesamtheit der Gammastrahlen zur Bestimmung der exponentiellen Zerfallskurve verwendeten Zeitintervalle hinsichtlich der Dauer oder des Zeitpunkts des Beginns nach dem Neutronenpuls nicht festgelegt. Der durch den vorhergehenden Neutronenpulszyklus gemessene Wert von τ wird zur Festlegung der Dauer des Neutronenpulses bei der Erzeugung der schnellen Neutronen ebenso wie zur Festlegung des Wartezeitraumes bis zum Beginn des ersten Intervalls nach dem Puls, der Dauer des ersten Zeitintervalls, der Dauer des zweiten Zeitintervalls und des Wartezeitraumes zwischen dem Beginn des ersten und des zweiten Zeitintervalls verwendet. Alle diese Zeiten werden auf ein vorbestimmtes Verhältnis zu τ eingestellt. Die Dauer des zweiten Meßintervalls kann beispielsweise 2τ betragen. Vor Beginn des ersten Zeitintervalls kann z. B. ein Wartezeitraum von 2τ nach dem Neutronenpuls verwendet werdene. Das erste Zeitintervall kann die Dauer von 1τ haben.

Bei beiden der oben beschriebenen bekannten Vorrichtungen zur Messung der Lebensdauer oder Zerfallzeit thermischer Neutronen sind die Neutronenquelle und ein Detektor allein für die Messung wesentlich. Doch werden bei beiden verfügbaren Methoden zwei im Abstand voneinander angeordnete Detektoren verwendet und die Messungen der durch die thermischen Neutronen erzeugten Einfangs-γ-Strahlung an den Detektoren zum Erzeugen von Näherungswerten oder Messungen der Porosität der Erdformationen in der Umgebung des Bohrlochs benutzt.

Wie oben erörtert, arbeiten beide zur Zeit verfügbaren Methoden zur Messung der Rekombinationszeit thermischer Neutronen unter der Annahme, daß die Rekombinationszeit thermischer Neutronen im Bohrloch wesentlich kürzer ist als die Rekombinationszeit in den Erdformationen in der Umgebung des Bohrlochs, die dadurch voneinander unterschieden werden können, daß die Bohrlochkomponente zeitlich ausgeschlossen wird. Bei der "sliding gate"-Technik kann ein Zeitintervall, das im wesentlichen den beiden für die τ- oder Σ-Messung verwendeten Zeitintervallen folgt, zur Messung des Untergrundes von Gammastrahlung durch den Einfang thermischer Neutronen im Bohrloch und den umgebenden Erdformationen als Untergrund-Zeitintervall dienen. Nach geeigneter Normierung werden diese Untergrundimpulse im allgemeinen von den während der Meßintervalle in einer solchen Anlage erhaltenen Zählimpulse subtrahiert, um den Einfluß des natürlich γ-Strahlen-Untergrundes in der Umgebung des Bohrlochs und jedes Untergrundes, der in den Gammastrahlendetektoren und in der Formation durch die Neutronenquelle hervorgerufen wird, auszuschalten. Keine der beiden oben beschriebenen handelsüblichen Bohrlochvermessungsanlagen benutzt jedoch die ganze aus den Gammastrahlenzählungen nach jedem Neutronenpuls möglicherweise verfügbare Information. In beiden bekannten Anlagen gehen die Zeitintervalle, während welcher die Detektoren keine Informationen aufnehmen, verloren. Auf diese Weise nutzen die bekannten Anlagen die Neutronenabgabe des Neutronengenerators nicht vollständig aus. In ähnlicher Weise setzen beide bekannten Techniken voraus, daß die Lebensdauer oder Rekombinationszeit thermischer Neutronen in der Formation von der im Bohrloch durch das Arbeiten mit Zeitintervallen im wesentlichen vollständig getrennt werden kann. Selbst unter idealen Bedingungen ist diese Voraussetzung nicht vollständig gültig.

Die oben erläuterten bekannten Methoden zur Bestimmung der Lebensdauer oder Rekombinationszeit thermischer Neutronen können auf zwei Hauptprobleme stoßen:

1. unter bestimmten Formations- und Bohrlochbedingungen ist die Bohrlochkomponente der Lebensdauer oder Rekombinationszeit vor Beginn der Meßfolge von Detektorintervallen zur Bestimmung der Lebensdauer der Neutronen noch nicht auf ein vernachlässigbares Niveau abgefallen. Dies führt zu einer fehlerhaften Messung von τ_F; und
2. die statistische Genauigkeit von τ_F ist manchmal recht gering, weil die Meßintervalle für die Zerfallzeit in verhältnismäßig großen Zeitabständen nach dem Neutronenpuls liegen, um die Auswirkungen der Bohrlochkomponente minimal zu halten.

Ein drittes, bei bekannten Vermessungstechniken über die Bestimmung der Neutronenlebensdauer auftretendes Problem ist zuerst von Mills u. a. (Nuclear Science and Engineering, Bd. 21, S. 346-356 (1965), "Pulsed Neutron Experiments in a Borehole Model") erörtert worden. Danach ist selbst, wenn τ_F aus Zählraten berechnet wird, die in für einen Zerfall der Bohrlochkomponente auf ein vernachlässigbares Niveau hinreichenden Zeitabständen aufgezeichnet werden, der berechnete Wert von τ_F immer noch eine Funktion von τ_B, der Lebensdauer thermischer Neutronen im Bohrloch. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß die thermischen Neutronen ständig aus der Erdformation in das Bohrloch zurückdiffundieren, selbst nachdem die "ursprüngliche" Gesamtheit thermischer Neutronen im Bohrloch durch Einfang auf ein niedriges Niveau abgefallen ist. Somit gehen die beiden bekannten Methoden über den von diesem dritten Problem verursachten Effekt vollständig hinweg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs definierten Art so auszugestalten,

(1) daß für die relativen Rekombinations- oder Abklingzeiten der Neutronen im Bohrloch und in den das Bohrloch umgebenden Erdformationen keine Annahmen gemacht zu werden brauchen,
(2) die statistische Genauigkeit der gemessenen Rekombinationszeiten verbessert wird und
(3) der Einfluß von aus der Erdformation in das Bohrloch zurückdiffundierenden Neutronen die Messung nicht beeinflußt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(e) nach dem Puls von schnellen Neutronen wenigstens vier Zeitintervalle festgelegt werden, die
- (e₁) sich nicht überlappen und
- (e₂) sich im wesentlichen aneinander anschließen,
(f) wenigstens vier Zählratensignale erzeugt werden, die den Gesamtheiten (Populationen) thermischer Neutronen in je einem der besagten Zeitintervalle entsprechen, und
(g) die wenigstens vier Zählratensignale nach einer vorgegebenen Beziehung so kombiniert werden, daß gleichzeitig wenigstens zwei Meßsignale erzeugt werden, die
- (g₁) der Rekombinationszeit der Gesamtheit der thermischen Neutronen im Bohrlochmedium und
- (g₂) der Rekombinationszeit der Gesamtheit der thermischen Neutronen im Medium der Erdformation in der Nähe des Bohrlochs
entsprechen.

Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 14.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand von Patentanspruch 15.

Ausgestaltungen der Anlage sind Gegenstand der Unteransprüche 16 bis 25.

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Bohrlochvermessungsgerät durch das Bohrloch bewegt, das eine gepulste Quelle schneller Neutronen und zwei Strahlungsdetektoren aufweist. Die Neutronenquelle erzeugt einen Puls schneller Neutronen von annähernd konstanter Intensität für eine Dauer von 10 bis 30 µs. Diese Neutronen treten in die Medien im Bohrloch und in den umgebenden Formationen ein und ergeben durch das Abbremsen der schnellen Neutronen in den Stoffen der Erdformation und des Bohrlochs eine Gesamtheit thermischer Neutronen. Nach einer sehr kurzen Pause nach dem Neutronenpuls zum Abbremsen der schnellen Neutronen werden die Detektoren eingeschaltet, und die Einfang-γ-Strahlung, die aus dem Einfang der thermischen Neutronen im Bohrloch und in den Erdformationen in der Umgebung des Bohrlochs entsteht, wird im wesentlichen ununterbrochen aufgezeichnet, bis der nächste Neutronenpuls unmittelbar bevorsteht. Während mehrerer Zeitintervalle im Laufe dieser im wesentlichen ununterbrochenen Zeit wird die Zählrate der Einfang-γ-Strahlung in sechs oder mehr im wesentlichen aneinander anschließenden Zeitintervallen beobachtet. Die Messungen der Zählraten in mehreren Zeitintervallen werden in einen Rechner gegeben, der die Formations- und Bohrlochkomponenten der Lebensdauer der thermischen Neutronen durch Anpassung dieser Zählratendaten, die während sechs oder mehr im wesentlichen aneinander anschließender Zeitintervalle nach jedem Neutronenpuls aufgenommen werden, nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate berechnet. Der Rechner zur Berechnung der Lebensdauer der thermischen Neutronen ist so eingerichtet, daß die Bohrlochkomponente und die Erdformationskomponente der Lebensdauer thermischer Neutronen gleichzeitig berechnet werden können. Annähernd einmal pro Sekunde und bei annähernd fünf Prozent der Ein- Sekunden-Arbeitszyklen wird die Neutronenquelle abgeschaltet, und die Detektoren werden eingesetzt, um die Untergrundzählrate relativ langer Lebensdauer durch die von den Neutronen der Quelle verursachte Gammastrahlung im Gammastrahlendetektor, in der Formation, im Bohrloch, in der Vermessungssonde oder die natürliche Gammastrahlung in der Umgebung des Bohrlochs festzustellen. Diese Information über die Untergrund-γ- Strahlung wird dann normiert und in den nach jedem Neutronenpuls während der sechs oder mehr Zeitintervalle vorgenommenen Messungen der durch die thermischen Neutronen erzeugten Einfang-γ-Strahlung berücksichtigt.

Zur Erzeugung der beschriebenen Abfolge von Messungen und Neutronenpulsen sind in dem Gerät im Bohrloch und an der Oberfläche elektronische Einrichtungen vorgesehen. Zusätzlich werden Synchronsationspulse als Mittel zur Trennung der Zählimpulse der Gammastrahlung erzeugt, die, wie oben beschrieben, der Einfangrate der thermischen Neutronen während jeder der sechs oder mehr Zeitintervalle des Meßzyklus entsprechen. Darüber hinaus ist zur Bestimmung der Bohrlochkomponente und der Erdformationskomponente der Zerfallzeiten oder Lebensdauern der thermischen Neutronen ein Rechner an der Oberfläche vorgesehen, der mit einem Aufzeichnungsgerät für die Bohrlochvermessung verbunden ist, in dem ein Aufzeichnungsträger während der Bewegung des Vermessungsgerätes durch das Bohrloch in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe bewegbar ist. Die Formations- und Bohrlochkomponente der Lebensdauer der thermischen Neutronen können in diesem Aufzeichnungsgerät als Funktion der Bohrlochtiefe aufgetragen werden. Auf diese Weise enthält die Anlage nach der Erfindung Einrichtungen zur gleichzeitigen Bestimmung des Wertes für die Zerfallzeit thermischer Neutronen oder für den makroskopischen Einfangquerschnitt der thermischen Neutronen der im Bohrloch und in dessen Umgebung vorhandenen Medien.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Bohrlochvermessungsanlage;

Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Schaltung in der Bohrlochvermessungsanlage nach Fig. 1;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der zusammengesetzten Zerfallskurve der Gesamtheit thermischer Neutronen und der Zeitintervalle bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Bohrlochvermessungsanlage;

Fig. 4 ist eine schematische graphische Darstellung einer Telemetriesequenz als Funktion der Zeit in der Bohrlochvermessungsanlage nach Fig. 3;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der zusammengesetzten Zerfallskurve der Gesamtheit thermischer Neutronen und der Zeitintervalle bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Bohrlochvermessungsanlage;

Fig. 6 ist eine schematische graphische Darstellung einer Telemetriesequenz als Funktion der Zeit in der Bohrlochvermessungsanlage nach Fig. 5 und

Fig. 7 ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Ermittlung interessierender Parameter von Erdformationen aus den mit den Bohrlochvermessungsanlagen bestimmten Daten durch einen Rechner an der Erdoberfläche.

Um genaue Kohlenwasserstoff-Sättigungswerte aus den Lebensdauer- oder Zerfallzeit-Kurven gepulster Neutronen zu erhalten, sollten die folgenden drei Kriterien erfüllt sein:

1. τ_F, die beobachtete Lebensdauer der Formationskomponente, sollte aus Zähldaten berechnet werden, die keine Anteile aus dem Neutroneneinfang im Bohrloch enthalten;
2. τ_F sollte statistisch so genau wie möglich sein, und
3. die wahre mittlere Lebensdauer der Formationskomponente τ_F sollte bestimmt werden, bevor die Kohlenwasserstoff- Sättigungswerte berechnet werden.

Nach der oben erwähnten Veröffentlichung kann die gemessene Lebensdauer nur zur wahren Lebensdauer τ_Fi in Beziehung gesetzt werden, wenn τ_B bekannt ist. Es ist deshalb wünschenswert, für größtmögliche Genauigkeit gleichzeitig die Formationskomponente τ_F und die Bohrlochkomponente τ_B der Lebensdauer oder Zerfallzeit der thermischen Neutronen zu messen.

Wie oben erörtert, kann die beobachtete Zerfallzeit der Gesamtheit der thermischen Neutronen in der Umgebung eines Bohrlochs nach einem Puls hochenergetischer Neutronen als die Summe einer Formationskomponente, einer Bohrlochkomponente und einer Untergrundkomponente beschrieben werden. Dies kann mathematisch entsprechend Gleichung (3) ausgedrückt werden:

C(t) = ++C_B (3)

In Gleichung (3) ist C(t) die von einer Bezugszeit an zu irgendeiner Zeit t gemessene Zählrate, A und B sind Konstanten, die nach Fig. 3 der Zeichnungen interpretierbar sind als die Anfangs-Bohrlochkomponente bzw. die Anfangs-Formationskomponente zum Bezugszeitpunkt t = 0. Diese Komponenten sind in Fig. 3 als Ordinatenabschnitte einer Funktion der Zeit dargestellt. In Gleichung (3) stellt τ_B die Bohrlochkomponente der zusammengesetzten Lebensdauer der thermischen Neutronen dar. τ_B kann als die Steigung der Bohrlochkomponentenkurve von Fig. 3 gedacht werden. In ähnlicher Weise stellt τ_F die Formationskomponente der zusammengesetzten Neutronenlebensdauer dar und kann als die Steigung der Formationskomponentenkurve von Fig. 3 gedacht werden. C_B schließlich stellt die Zählratenkomponente der langlebigen Strahlung dar und kann als eine konstante Komponente gedacht werden, die in Fig. 3 als waagerechte als Linie dargestellt ist. Die in Fig. 3 gezeigte zusammengesetzte Zerfallskurve thermischer Neutronen ist die Resultierende aus den darin Bohrlochkomponenten- Formationskomponenten- und Untergrundkomponentenkurven.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird die Untergrundkomponente C_B, wie in Fig. 4 dargestellt, in einem gesonderten Teil des Verfahrenszyklus gemessen. Fig. 4 zeigt einen im folgenden näher beschriebenen Telemtrie-Datenfluß von einem Gerät im Bohrloch als Funktion der Zeit. Ein Synchronisationsimpuls beginnt jeden Arbeitszyklus der Anlage im Bohrloch. Diesem Synchronisationsimpuls folgt unmittelbar ein Neutronenpuls von annähernd konstanter Intensität und mit einer im folgenden genauer beschriebenen Dauer. Jedem Neutronenpuls folgen sechs oder mehr Zeitintervalle, in denen mit einem im Abstand von der Quelle angeordneten Detektor Zählratenmessungen durchgeführt und an die Oberfläche übertragen werden. Die Zeitintervalle schließen im wesentlichen aneinander an und dauern zusammen etwa 1 Millisekunde nach dem Synchronisationsimpuls. Dieser Meßzyklus wird während des Zeitraums von einer Sekunde etwa 1000mal wiederholt. Am Ende eines Zeitraumes von 945 ms wird das in Fig. 4 gezeigte Untergrundintervall vorgesehen, um die Untergrundstrahlung zu zählen. Während dieses Intervalls von 55 000 µs bzw. 55 ms wird der Neutronengenerator nicht gepulst. Deshalb enthält die während dieses Zeitraums etwa nach 5 ms, innerhalb derer die Einfangstrahlung nach dem letzten Neutronenpuls einer Sequenz auf ein vernachlässigbares Niveau abklinkt, durchgeführte Messung nur Zählinformation durch die dem Untergrund zuzuschreibende Strahlung. Die Untergrund-Zählinformation wird durch die Anlage im Bohrloch an die Oberfläche telemetriert und, wie im folgenden genauer beschrieben, verarbeitet.

Die wie beschrieben gemessene und an die Oberfläche telemetrierte Untergrundzählrate C_B kann von der zusammengesetzten Zählrate C(t) nach Gleichung (3) subtrahiert werden, um entsprechend Gleichung (4) die Nettozählrate C′(t) zu erhalten:

C′(t) = C(t) - C_B = + (4)

Die Bezeichnungen in Gleichung 4 sind in gleicher Weise wie oben definiert.

Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung werden gemäß Fig. 3 und 4 sechs (oder mehr) Zählraten, die in den sechs auf den Neutronenpuls folgenden und mit t₁, t₂; t₃, t₄, t₅ und t₆ bezeichneten Zeitintervallen gemessen werden, durch eine Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate kombiniert. Die Zählratenmessungen in den sechs Zeitintervallen können in Direktzeit in einem Rechner an der Oberfläche z. B. so angepaßt werden, daß die interessierenden Parameter in Gleichung (3) und (4) erhalten werden. Die Anpassung ergibt τ_F, τ_B, A und B, wie oben definiert. Es wird beobachtet, daß bei den sechs (oder mehr) in Fig. 3 dargestellten, annähernd aneinander anschließenden Zeitintervallen vernachlässigbare oder minimale Verzögerungszeiten zwischen den Intervallen auftreten. Deshalb wird bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die volle Zählrateninformation nach einer kurzen Abbremszeit, die typischerweise zwischen 20-30 µs vom Ende des Neutronenpulses bis zum Beginn des ersten Zeitintervalls beträgt, genutzt. Es geht keine Zählinformation durch das Abwarten des Zerfalls der Bohrlochkomponente verloren. Zusätzlich ist das oben erwähnte Kriterium von Mills u. a. erfüllt, da bei dieser Technik τ_F und τ_B gleichzeitig bestimmt werden.

Fig. 5 und 6 zeigen schematisch ein anderes Zeitintervallschema des vorliegenden Verfahrens. In Fig. 5 ist ein Neutronenpuls einer Dauer von 15 bis 20 µs dargestellt, dem ein Abbremsintervall von 20 bis 30 µs folgt, worauf ein erstes Zeitintervall 1 von verhältnismäßig kurzer Dauer festgelegt wird. Ein zweites Zeitintervall 2 hat eine zweite, etwas längere Dauer. Die folgenden Zeitintervalle 3, 4, 5 und 6 haben jedes eine etwas längere Dauer als das jeweils vorhergehende in der Intervallfolge. Das Ziel dieses Zeitintervallschemas ist es, die Zählraten in jedem der Intervalle statistisch zu optimieren. Da die zusammengesetzte Rekombinationskurve der Gesamtheit der thermischen Neutronen abfällt, erlauben die aufeinanderfolgenden längeren Zeitintervalle bei der niedrigeren Zählrate der späteren Zeitintervalle mehr Zählimpulse. Die tatsächlichen Zeiten für die in Fig. 3 und 5 dargestellten Zeitintervallschemen sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 angegeben: (In Tabelle 1 und 2 beziehen sich alle Zeiten auf den Bezugszeitpunkt t = 0 zu Beginn des Neutronenpulses).

Tabelle 1

Zeitintervallschema in Fig. 3

Tabelle 2

Zeitintervallschema in Fig. 5

Die geringen Zeitunterschiede (5 µs) zwischen den Zeitintervallen in Tabelle 1 berücksichtigen die für die Übergabe eines Zählerinhalts auf einen Zwischenspeicher in der im folgenden näher zu beschreibenden Elektronikschaltung im Bohrlochvermessungsgerät notwendige Zeit. Ähnlich kurze Zeitabstände würden auch für die Zeitintervalle von Tabelle 2 erforderlich sein, sind aber aus Gründen der Einfachheit weggelassen worden. Selbstverständlich sollen die Zeitintervalle von Tabellen 1 und 2 im Rahmen der zeitlichen Begrenzungen in der Elektronikschaltung zeitlich so dicht wie möglich aufeinanderfolgen.

Fig. 6 stellt einen Telemetrie-Datenfluß dar, wie er sich aus der in Fig. 5 dargestellten Zeitintervallfolge ergibt. Von der Elektronik im Bohrloch wird ein Synchronisationsimpuls an die Oberfläche gesendet. Darauf folgt der Neutronenpuls, an dessen Ende die Referenzzeit beginnt. Nach Ablauf der kurzen Abbremszeit von 10 bis 30 µs wird eine in Fig. 6 mit G₁ bezeichnete Digitalzahl, die die im Zeitintervall 1 aufgenommene Zählimpulse darstellt, an die Oberfläche telemetriert. Ähnlich wird bei den die Zählimpulse der Zeitintervalle 2 bis 6 dargestellten Digitalzahlen verfahren. Diese Sequenz wird über 945 ms beibehalten. Dann beginnt das Untergrund-Zeitintervall von 50 ms (s. o. Fig. 4). In jedem Fall werden die Zählraten C(t_i) für i = 1 bis 6 an die Oberfläche telemetriert, wo sie in einem (im folgenden näher zu beschreibenden) Rechner an der Oberfläche für die Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ausgewertet werden, um die interessierenden Parameter zu ermitteln.

Da Gleichung (4) nichtlinear sind, ist für die Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein iteratives Verfahren notwendig. Ein besonderes Anpassungsverfahren ist im folgenden dargestellt und wird mit Bezugnahme auf Fig. 7 näher beschrieben. An dieser Stelle genügt es jedoch zu erwähnen, daß die interessierenden Parameter von dem Rechner an der Oberfläche durch eine iterative Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erhalten werden. Die Werte von τ_F, τ_B, A und B können dann auf konventionelle Weise als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Bohrlochvermessungsanlage nach der vorliegenden Erfindung. Ein Bohrloch 10 ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 11 gefüllt und durchdringt die zu untersuchenden Erdformationen 20. Eine Bohrlochsonde 12 ist auf bekannte Weise durch ein armiertes Vermessungskabel 13 so im Bohrloch 10 aufgehängt, daß die Bohrlochsonde 12 im Bohrloch 10 nach Wunsch angehoben oder abgesenkt werden kann. Das Vermessungskabel 13 läuft über eine Umlenkrolle 14 an der Oberfläche. Wie die gestrichelte Linie 15 zeigt, ist die Umlenkrolle 14 elektrisch oder mechanisch an ein Aufzeichnungsgerät 18 gekoppelt, das in bekannter Weise ein optisches Aufzeichnungsgerät, ein Magnetbandgerät oder beides enthalten kann. Die Aufzeichnung der mit der Bohrlochsonde 12 durchgeführten Messungen kann so als Funktion der Tiefe der Sonde 12 im Bohrloch 10 erfolgen.

In der Bohrlochsonde 12 wird ein Neutronengenerator 21 mit Hochspannung (etwa 100 kV) aus einer Hochspannungsversorgung 22 gespeist. Eine Steuer- und Telemetrieelektronik 25 versorgt die Hochspannungsversorgung 22 und den Neutronengenerator 21 mit Steuersignalen und telemetriert die durch die Anlage im Bohrloch 10 gemessene Information über das Vermessungskabel 13 an die Oberfläche.

Gegen den Neutronengenerator 21 in Längsrichtung versetzt, befinden sich zwei Strahlungsdetektoren 23 und 24. Die Strahlungsdetektoren 23, 24 können z. B. thalliumaktivierte Natriumjodkristalle enthalten, die optisch an Photomultiplier gekoppelt sind. Die Strahlungsdetektoren 23 und 24 dienen der Erfassung der Gammastrahlung aus den umgebenden Erdformationen 20, die durch die Neutronenstrahlung des Neutronengenerators 21 entsteht. Eine Neutronenabschirmung 28 aus einem Material hoher Dichte oder großen Streuquerschnitts ist zwischen dem Neutronengenerator 21 und den beiden im Abstand voneinander befindlichen Detektoren 23 und 24 angeordnet, um eine direkte Bestrahlung der Detektoren durch die vom Neutronengenerator 21 ausgestrahlten Neutronen 24 zu verhindern. Eine Abschirmung 29 kann gegebenenfalls auch zwischen den Detektoren 23 und 24 angeordnet sein.

Bei Einschaltung des Neutronengenerators 21 wird ein etwa 10-30 µs dauernder Neutronenpuls erzeugt und in das Bohrloch 10, die Bohrlochflüssigkeit 11 und durch die Stahlverrohrung 26 und die die Stahlverrohrung umgebende Zementschicht 27 hindurch in die zu untersuchenden Erdformationen 20 ausgestrahlt. Durch Streuwechselwirkung wird der Neutronenstrom abgebremst oder verlangsamt, so daß alle Neutronen im wesentlichen thermische Energie haben. Die thermischen Neutronen treten dann in Einfangswechselwirkung mit den Kernen der Elemente der Bestandteile der Erdformationen 20 und der darin enthaltenen Porenräume.

Der Neutroneneinfang durch die Kerne der Elemente in den Erdformationen 20 und in deren Porenräumen erzeugt Einfang- Gammastrahlen, die auf die Detektoren 23 und 24 fallen. Die Photomultiplier der Detektoren 23 und 24 erzeugen für jeden so erfaßten Gammastrahl einen Spannungsimpuls. Die Spannungsimpulse werden auf die Steuer- und Telemetrieelektronik 25 gegeben, in einem Digitalzähler gezählt und über eine Leitung 16 des Vermessungskabels 13 an die Oberfläche telemetriert. An der Oberfläche wird die telemetrierte Information von der Bohrlochsonde 12 von einer elektronischen Datenverarbeitung 17 aufgenommen und zur Bestimmung von τ_F, τ_B, A und B für die untersuchten Erdformationen 20 einem Anpassungsverfahren nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate unterworfen. Die elektronische Datenverarbeitung 17 an der Oberfläche liefert dann Signale für die gemessenen Größen an das Aufzeichnungsgerät 18, wo sie als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.

Fig. 2 zeigt ein detailliertes, aber schematisches Blockdiagramm der elektronischen Teile der elektronischen Anlagen unter und an der Oberfläche. Durch eine Leitung im Vermessungskabel 32 werden eine übliche Niederspannungsversorgung 31 und eine Hochspannungsversorgung 34 zur Versorgung der elektronischen Anlagen im Bohrloch mit elektrischer Energie gespeist. Die Hochspannungsversorgung 34 kann eine mehrstufige Cockcroft- Walton-Hochspannungsversorgung sein, die etwa 100 kV für den Betrieb der Neutronengeneratorröhre 33 liefert. Die Neutronengeneratorröhre 33 ist nach Art eines Deuterium-Tritium- Beschleunigers ausgebildet. Zur Erzeugung von Deuteriumionen aus dem die Röhre 33 füllenden Deuteriumgas wird eine nahe an Massepotential gehaltene Ionenquelle 36 verwendet. Eine beheizbare Deuteriumquelle 37 enthält zusätzlich Deuterium und hält innerhalb der Röhre 33 ein Druckniveau des Deuteriumgases aufrecht, das ausreicht, um die Ionenquelle 36 mit Deuteriumgas für die Ionisation zu versorgen. Eine Fangelektrode 35 enthält Tritium und wird auf einem relativ hohen, negativen Potential von 100 kV gehalten. Die Ionenquelle 36 wird von einem Pulsgenerator 41 gesteuert. Bei Anlegen eines Pulses relativ niedriger Spannung wird das Gas in der Röhre 33 durch die Ionenquelle 36 ionisiert und die Ionen werden in Richtung auf die Fangelektrode 35 beschleunigt. Wenn die Deuteriumionen auf die Fangelektrode 35 auftreffen, treten sie in thermonukleare Wechselwirkung mit den Tritiumionen in der Fangelektrode 35 und erzeugen Neutronen, die dann allgemein kugelsymmetrisch von der Neutronengeneratorröhre 33 in das Bohrloch 10 und die umgebenden Erdformationen 20 ausgestrahlt werden.

Eine Nachbeschickungsschaltung 39 für die zusätzliche Deuteriumquelle 37 wird durch eine Abtastschaltung 38 mit abgetasteten Werten des Fangelektrodenstroms der Neutronenquelle versorgt, die zur Steuerung des Stroms der zusätzlichen Deuteriumquelle und dadurch des Gasdrucks in der Neutronengeneratorröhre 33 mit einem Bezugssignal verglichen werden. Eine Taktschaltung 42 mit einem mit relativ hoher Frequenz arbeitenden Steuertaktoszillator und einem geeigneten Frequenzteiler liefert 1 KHz-Pulse an den Ionenquellen-Pulsgenerator 41 und Taktimpulse von einer Sekunde an die Einschaltsteuerung 40 des Neutronengenerators. Darüber hinaus liefert die Taktschaltung 42 Taktimpulse von 2 MHz an eine Mikroprozessor- und Speicherschaltung 44, an die Untergrundkorrekturschaltung 45 und die Zähler 52 und 53. In ähnlicher Weise werden zwei Verstärkungsregler 48 und 49 mit Taktsignalen versorgt.

Die Wechselwirkung der thermischen Neutronen mit den Kernen der Materialien in der Erdformation verursacht die Ausstrahlung von Einfang-Gammastrahlen, die von den (den beiden im Abstand voneinander angeordneten Detektoren 23 und 24 von Fig. 1 entsprechenden) Detektoren 46 und 47 erfaßt werden. Die Verstärkungsregler 48 bzw. 49 werden von den Detektoren 46 bzw. 47 mit Spannungsimpulsen versorgt. Die Verstärkungsregler 48 und 49 dienen zur Aufrechterhaltung einer normierten Pulshöhe am Ausgang der Detektoren 46 und 47 in bezug auf die bekannte Amplitude eines Bezugsimpulses. Auf die Diskriminatorschaltungen 50 bzw. 51 werden Ausgangssignale der Verstärkungsregler 48 bzw. 49 entsprechend den von den Detektoren 46 bzw. 47 erfaßten Gammastrahlen gegeben. Die Diskriminatorschaltungen 50 und 51 dienen dazu, den Eintritt von Spannungsimpulsen niedriger Amplitude der Detektoren 46 bzw. 47 in die Zähler 52 bzw. 53 zu verhindern. Die Diskriminatoren werden typischerweise auf etwa 0,1-0,5 MeV eingestellt, um das von den mit den Detektoren 46 und 47 verbundenen Photomultipliern ausgehende Rauschen zu unterdrücken. Die Ausgänge der Diskriminatorschaltungen 50 und 51 werden auf Zähler 52 bzw. 53 gegeben, die die von den Detektoren 46 bzw. 47 erfaßten einzelnen Einfang- Gammastrahlungsereignisse zählen. Die Ausgabe der Zähler 52 und 53 wird auf die Mikroprozessor- und Speicheranordnung 44 gegeben.

Während des Untergrundteils des Abtastzyklus wird die Untergrundkorrekturschaltung 45 mit Zählimpulsen von den Zählern 52 und 53 versorgt. Diese Schaltung gibt auch einen Ausschaltpuls auf die Ionenquelle 36, um ein Pulsen des Neutronengenerators während der Untergrundzählung des Zyklus zu verhindern. Die Untergrundkorrekturschaltung 45 gibt Untergrund-Zählinformation auf die Mikroprozessor- und Speicheranordnung 44. Der Untergrund kann im Gegensatz zu den Einfangdaten über längere Perioden gespeichert und aus ihm ein Durchschnittswert gebildet werden, da bei niedriger Diskriminatorschwelle der Untergrund größtenteils von der Gammastrahlungsaktivierung des Natriumjodids mit einer Halbwertszeit von 27 Minuten herrührt. Daraus ergibt sich eine bessere Statistik für das subtrahierte Signal.

Die digitale Zählinformation aus den Zählern 52 und 53 und aus der Untergrundkorrekturschaltung 45 wird auf die Mikroprozessor- und Speicheranordnung 44 gegeben. Die Mikroprozessor- und Speicheranordnung 44 formatisiert die Daten und führt sie serienweise der Telemetrieschaltung 43 zu, die die digitale Information von den Zählern 52, 53 und von der Untergrundkorrekturschaltung 45 über das Vermessungskabel 32 an die Oberfläche telemetriert. An der Oberfläche tastet eine Telemetrie- Schnittstelle 54 die analogen Telemetrie-Spannungssignale von den Leitungen des Vermessungskabels 32 ab und gibt sie auf eine Telemetrier-Datenverarbeitungseinheit 55, die die digitale Zählrateninformation, welche die Zählraten der Zähler 52 und 53 darstellt, in der Bohrlochvermessungsanlage entsprechend den Zeitintervallschemata normiert.

Die die Zählraten in jedem der sechs oder mehr Zeitintervalle und die Untergrund-Zählrate darstellenden Digitalzahlen werden dann in einem Digitalrechner 56 eingegeben.

Der Rechner 56 ist nach dem Flußdiagramm von Fig. 7 zur Auswertung der Zählrateninformation aus den sechs oder mehr Zeitintervallen und aus dem Untergrund nach der Bohrloch- und der Formationskomponente der Zerfallzeit oder Lebensdauer der thermischen Neutronen programmiert. Den interessierenden Formationsparameter darstellende Ausgabesignale als Funktion der Bohrlochtiefe werden von dem Rechner 56 zur Aufzeichnung auf eine Filmausgabeeinheit 57 und auf eine Magnetbandausgabeeinheit 58 gegeben. Der Rechner 56 ist nach dem in Fig. 7 dargestellten Flußdiagramm programmiert, derart, daß er die Erdformations- und die Bohrlochkomponente der Zerfallzeit der thermischen Neutronen τ_F und τ_B und die Abschnitte B und A von Fig. 3, die die Zählraten der Formations- bzw. der Bohrlochkomponente der Gesamtheit der thermischen Neutronen am Ende des Neutronenpulses darstellen, ermittelt. Dazu wird das in Fig. 7 dargestellte iterative Schema zur Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate verwendet.

Die Eingabeinformation des in Fig. 7 dargestellten Programms umfaßt die Zählrateninformation C_i, i = 1 bis 6, für jedes der sechs Zeitintervalle und eine in Fig. 7 mit BKG bezeichnete Untergrundzählrate. An einem ersten Steuerblock 61 werden die Zählraten aus jedem der Zeitintervalle nach der darin dargestellten Formel um die Totzeit der Detektoren 46, 47 korrigiert. Zusätzlich werden die Untergrundzählraten um diese Totzeit korrigiert. Die korrigierten Zählraten und die Untergrundinformation werden einem Programmsteuerblock 62 zugeführt, in dem die Untergrundzählrate unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Dauer der Zeitintervalle 1-6 normiert wird. Die Untergrundzählung wird in eine Untergrundzählrate umgewandelt und in jedem Zeitintervall von der Zählrateninformation subtrahiert.

Die korrigierten Untergrundzählraten C_i werden dann in einen Programmsteuerblock 63 gegeben, wobei t_i als Mittelpunkt eines beliebigen Zeitintervalls angenommen wird. Die Zählratendaten C_i werden dann für i = 3-6 nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate an den im Programmsteuerblock 63 angegebenen Ausdruck angepaßt und ergeben vorläufige Werte von B, τ_F und den aus der kleinsten Fehlerquadrat-Anpassung jedes Zählratenwertes an die Zählraten abgeleiteten quadratischen Mittelwert.

Die Schätzwerte von t_i werden dann in einen Programmsteuerblock 64 eingegeben, in dem das dem Mittelpunkt eines Zeitintervalls entsprechende t_i durch einen im Programmsteuerblock 64 dargestellten Ausdruck entsprechend der Steigung der Zerfallzeit τ_F der thermischen Neutronen in der Formation korrigiert wird. In ähnlicher Weise wird die Zählrateninformation C_i für die ersten Zeitintervalle i = 1,2, die von der Bohrlochkomponente stärker beeinflußt ist, in einem Programmsteuerblock 65 um die Auswirkungen der Formationskomponente τ_F korrigiert.

Die korrigierten Zählraten C′_i, i = 1 bis 6 werden dann in einen Programmsteuerblock 66 eingegeben, der nach den darin angegebenen Ausdrücken eine Bohrlochkomponente τ_B für die Rekombinationszeit der thermischen Neutronen und eine Amplitudenkomponente A der Bohrlochzählratenkomponente berechnet.

Nach dem im Programmsteuerblock 67 gegebenen Ausdruck wird dann die zeitliche Mittelpunktskoordinate der Zeitintervalle 1 und 2 entsprechend der Steigung der Bohrlochkomponente τ_B korrigiert. Die Steuerung geht dann auf einen Programmsteuerblock 68 über, in dem der Ausdruck für die Zählrate C_i, i = 3-6, in den Zeitintervallen 3 bis 6 nach dem im Programmsteuerblock 68 angegebenen Ausdruck um die Bohrlochkomponente korrigiert wird.

Die Steuerung geht dann auf einen Programmsteuerblock 69 über, in dem geprüft wird, ob die Iteration ausreichend konvergierte. Wird durch die Prüfung im Programmsteuerblock 69 keine ausreichende Konvergenz festgestellt, dann wird in einem Programmsteuerblock 71 in einem Iterationszähler ein Schritt fortgezählt, die korrigierten Zähldaten C′_i, i = 1 bis 6, aus den Programmsteuerblöcken 68 und 65 werden für die vorherigen Zähldaten der letzten Iteration eingesetzt, und das Programm wird für die nächste Iteration zur Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate in den Programmsteuerblock 63 zurückgeführt. Wird durch die Prüfung im Programmsteuerblock 69 ausreichende Konvergenz festgestellt, werden die Daten in den Ausgabeblock 70 eingegeben und die Ergebnisse vom Rechner 56 in Fig. 2 auf die in Fig. 2 dargestellten Aufzeichnungsgeräte gegeben.

Auf diese Weise mißt die Anlage nach der vorliegenden Erfindung gleichzeitig die Erdformationskomponente τ_F, die Bohrlochkomponente τ_B der Rekombinationszeit von thermischen Neutronen und die Anfangsamplituden B und A der Zählraten entsprechend den Formations- und Bohrlochkomponenten der Zählrate. Alle oben erwähnten Einschränkungen im Stand der Technik durch die Annahme einer viel kleineren Zerfallzeit thermischer Neutronen für die Bohrlochkomponente als für die Formationskomponente werden dadurch vermieden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Rekombinationszeit thermischer Neutronen mit Materialien in und im Bereich von Bohrlöchern, bei welchem

(a) in einem Bohrloch ein diskreter Puls von schnellen Neutronen erzeugt wird, die durch Zusammenwirken mit Kernen von Materialien im Bohrloch und in der umgebenden Erdformation abgebremst und auf thermische Energie verlangsamt werden, wodurch in dem Bohrloch und in der dieses umgebenden Erdformation eine Gesamtheit (Population) von thermischen Neutronen erzeugt wird,
(b) in dem Bohrloch mindestens eine durch den Zerfall der thermischen Neutronen verursachte Strahlung in Form von Zählraten erfaßt wird, welche ein Maß für die Gesamtheit der thermischen Neutronen in dem Bohrloch und der dieses umgebenden Erdformation liefern,
(c) die Zählraten in auf den Puls von schnellen Neutronen folgenden Zeitintervallen gemessen werden, deren Gesamtlänge groß gegenüber der Pulsdauer ist, und
(d) aus den in den Zeitintervallen gemessenen Zählraten die Rekombinationszeit der thermischen Neutronen in der das Bohrloch umgebenden Erdformation gewonnen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) nach dem Puls von schnellen Neutronen wenigstens vier Zeitintervalle festgelegt werden, die
- (e₁) sich nicht überlappen und
- (e₂) sich aneinander anschließen,
(f) in jedem der wenigstens vier Zeitintervalle ein der Gesamtheit (Population) der thermischen Neutronen in dem jeweiligen Zeitintervall entsprechendes Zählratensignal erzeugt wird, und
(g) durch eine mathematische Anpassung der wenigstens vier Zählratensignale an die Zerfallsgleichung für thermische Neutronen in einem Bohrloch
- (g₁) die Rekombinationszeit (τ_B) der Gesamtheit der thermischen Neutronen im Medium des Bohrloches (10) und
- (g₂) die Rekombinationszeit (τ_F) der Gesamtheit der thermischen Neutronen im Medium der das Bohrloch (10) umgebenden Erdformation (20)

bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mathematische Anpassung zusätzlich die anfängliche Gesamtheit (Population) der thermischen Neutronen im Medium sowohl des Bohrloches (10) als auch der dieses umgebenden Erdformation (20) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der mindestens einen, durch den Zerfall der thermischen Neutronen verursachten Strahlung um Gammastrahlung handelt, die durch das Einfangen thermischer Neutronen durch Kerne von Materialien im Bohrloch (10) und in der dieses umgebenden Erdformation (20) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählraten in wenigstens sechs nicht-überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervallen gemessen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Erfassen der mindestens einen Strahlung 20 bis 30 Mikrosekunden nach dem Puls von schnellen Neutronen erfolgt und
(b) die wenigstens vier, sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle sich über eine Gesamtzeitdauer von einer Millisekunde nach dem Puls von schnellen Neutronen erstrecken.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens vier, sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle von gleicher Dauer sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens vier sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle von zunehmend größerer Dauer sind, so daß die Zählung in jedem solchen Zeitintervall statistisch optimiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Pulses von schnellen Neutronen eine eine Deuterium-Tritium-Beschleunigerröhre (33) umfassende Neutronenquelle benutzt wird, die Neutronen von 14 MeV liefert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) anschließend an die wenigstens vier sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle nach dem Puls von schnellen Neutronen die Untergrundstrahlung gemessen wird und
(b) die wenigstens vier Zählratensignale vor der Durchführung der mathematischen Anpassung hinsichtlich dieser Untergrundstrahlung korrigiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung der Untergrundkorrektur der wenigstens vier Zählratensignale das Zählsignal der Untergrundstrahlung unter Berücksichtigung der teilweise unterschiedlichen Dauer der wenigstens vier Zeitintervalle normiert und anschließend das normierte Zählsignal der Untergrundstrahlung von jedem der wenigstens vier Zählratensignale subtrahiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) Pulse schneller Neutronen wiederholt und in verschiedenen Bohrlochtiefen erzeugt werden, und
(b) wenigstens zwei Messungen als Funktion der Bohrlochtiefe durchgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß pro Sekunde 1000 Pulse schneller Neutronen erzeugt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils wenigstens vier der wenigstens zwei Messungen und das Zählsignal der Untergrundstrahlung hinsichtlich der beim Erfassen der Strahlung auftretenden Totzeit einer Strahlungserfassungseinrichtung (23, 24; 46, 47) korrigiert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Anpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgt.

15. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend:

(a) einen Neutronengenerator (21) zur Erzeugung eines diskreten Pulses von schnellen Neutronen in einem Bohrloch (10), die durch Wechselwirkung mit Kernen von Materialien im Bohrloch (10) und in der dieses umgebenden Erdformation (20) abgebremst und auf thermische Energie verlangsamt werden, wodurch in dem Bohrloch (10) und in der dieses umgebenden Erdformation eine Gesamtheit (Population) von thermischen Neutronen erzeugt wird,
(b) eine Strahlungserfassungseinrichtung (23, 24; 46, 47) in dem Bohrloch (10) zur Erfassung einer durch den Zerfall der thermischen Neutronen verursachten Strahlung in Form von Zählraten, welche ein Maß für die Gesamtheit der thermischen Neutronen in dem Bohrloch (10) und der dieses umgebenden Erdformation (20) liefern,
(c) eine Zähleinrichtung (52, 53) zum Messen der Zählraten in auf den Puls von schnellen Neutronen folgenden Zeitintervallen,
(d) einen Rechner (56), mit dem aus den in den Zeitintervallen gemessenen Zählraten die Rekombinationszeit der thermischen Neutronen in der das Bohrloch (10) umgebenden Erdformation (20) berechnet wird,

gekennzeichnet durch

(b) Mittel (42) zum Festlegen von vier Zeitintervallen nach dem Puls von schnellen Neutronen, wobei die Zeitintervalle
- (e₁) sich nicht überlappen und
- (e₂) sich aneinander anschließen,
(f) Mittel (44) zur Erzeugung von wenigstens vier Zählratensignalen, die jeweils den Gesamtheiten (Populationen) der thermischen Neutronen in den besagten vier Zeitintervallen entsprechen, und
(g) Mittel in dem Rechner (56) zur Durchführung einer mathematischen Anpassung der wenigstens vier Zählratensignale an die Zerfallsgleichung für thermische Neutronen in einem Bohrloch, wobei als Ergebnis dieser mathematischen Anpassung
- (g₁) die Rekombinationszeit (τ_B) der Gesamtheit der thermischen Neutronen im Medium des Bohrloches (10) und
- (g₂) die Rekombinationszeit (τ_F) der Gesamtheit der thermischen Neutronen im Medium der das Bohrloch (10) umgebenden Erdformation (20)

gewonnen wird.

16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (56) weiterhin ein Mittel umfaßt, mit dem als weiteres Ergebnis der mathematischen Anpassung die anfängliche Gesamtheit (Population) der thermischen Neutronen im Medium sowohl des Bohrloches (10) als auch der dieses umgebenden Erdformation (20) gewonnen wird.

17. Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungserfassungseinrichtung (23, 24; 46, 47) einen Detektor (23, 24) enthält, welcher auf Gammastrahlungen anspricht, die durch das Einfangen thermischer Neutronen durch Kerne von Materialien im Bohrloch (10) und in dieser dieses umgebenden Erdformation (20) erzeugt wird.

18. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungserfassungseinrichtung (23, 24; 46, 47) Mittel zum Erfassen der Gammastrahlungen in wenigstens sechs sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervallen nach dem Puls von schnellen Neutronen enthält.

19. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Strahlungserfassungseinrichtung (23, 24; 46, 47) ungefähr 20 bis 30 Mikrosekunden nach dem Puls von schnellen Neutronen zur Strahlungserfassung einschaltbar ist und
(b) die besagten wenigstens vier sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle sich über eine Gesamtzeit von einer Millisekunde nach dem Puls von schnellen Neutronen erstrecken.

20. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronengenerator (21) eine Neutronenquelle mit einer Deuterium-Tritium-Beschleunigerröhre (33) enthält, die Neutronen von 14 MeV liefert.

21. Anlage nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch

(a) Mittel zum Erfassen einer Untergrundstrahlung im Bohrloch (10) und
(b) Mittel (45) zum Korrigieren der wenigstens vier Zählratensignale hinsichtlich der Untergrundstrahlung.

22. Anlage nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Mittel zum Subtrahieren eines unter Berücksichtigung der teilweise unterschiedlichen Dauer der wenigstens vier Zeitintervalle normierten Zählsignals der erfaßten Untergrundstrahlung von jedem der wenigstens vier Zählratensignale.

23. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Neutronengenerator (21) zum wiederholten Erzeugen von Pulsen schneller Neutronen in verschiedenen Bohrlochtiefen angesteuert ist und
(b) Registriermittel (57, 58) zum Aufzeichnen von Meßsignalen aus wenigstens zwei Messungen als Funktion der Bohrlochtiefe vorgesehen sind.

24. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens vier sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle von gleicher Zeitdauer sind.

25. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens vier sich nicht überlappenden, aneinander anschließenden Zeitintervalle von zunehmend größerer Dauer sind, so daß die Zählung in jedem Zeitintervall statistisch optimiert wird.