DE3628097A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE DENSITY OF A FORMATION SAMPLE - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE DENSITY OF A FORMATION SAMPLE

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DE3628097A1
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Description

Die Erfindung befaßt sich mit der unter Verwendung von Gammastrahlen erforderlichen Messung von unterirdischen Formationen, um deren Dichte zu bestimmen. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Bestimmung der Formationsdichte, ohne die Meßprobe an der Wand der Bohrlochs anzuordnen, das durch die Erdformation hindurchgeht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zum Messen der Dichte während des Bohrvorganges.The invention is concerned with using gamma rays required measurement of underground formations, to determine their density. The invention is particularly concerned with the determination of the formation density without the Arrange measurement sample on the wall of the borehole through the Earth formation passes through. The device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for measuring the density during the drilling process.

Drahtleitungs-Gammastrahl-Dichtesonden sind Vorrichtungen, die eine Gammastrahlungsquelle und einen Gammastrahlungs- Detektor enthalten, die gegeneinander abgeschirmt sind, um eine Messung der direkt von der Quelle ausgegebenen Strahlung zu vermeiden. Während der Arbeit der Sonde treten die von der Quelle ausgesandten Gammastrahlen oder Photonen in die zu untersuchende Formation, wo sie mit den Elektronen der Atome des Materials der Formation über eine photoelektrische Absorption, eine Comptonstreuung oder Paarbildung wechselwirken. Bei der photoelektrischen Absorption und bei der Paarbildung werden die jeweiligen Photonen, die von der Wechselwirkung betroffen sind, aus den Gammastrahlen entfernt.Wire line gamma ray density probes are devices which a gamma radiation source and a gamma radiation Detector included, which are shielded from each other a measurement of the radiation emitted directly from the source to avoid. During the work of the probe, those of the Source emitted gamma rays or photons into the one to be examined Formation where they are with the electrons of the atoms the material of the formation via photoelectric absorption, a Compton scatter or pairing interact. At of photoelectric absorption and pairing the respective photons affected by the interaction are removed from the gamma rays.

Bei der Comptonstreuung verlieren die daran beteiligten Photonen etwas von ihrer Energie, während sie ihre ursprüngliche Laufrichtung ändern, wobei der Energieverlust eine Funktion des Streuwinkels ist. Einige von der Quelle in die Probe ausgesandten Photonen werden dementsprechend zum Detektor gestreut. Viele dieser Elektronen erreichen niemals den Detektor, da ihre Richtung durch eine zweite Comptonstreuung geändert wird, oder werden durch die photoelektrische Absorption der Paarbildung absorbiert. Die gestreuten Photonen, die den Detektor erreichen und mit diesem wechselwirken, werden durch die elektrischen Geräte gezählt, die zum Detektor gehören.The photons involved in Compton scattering lose some of their energy while being their original Change running direction, whereby the energy loss is a function of the scattering angle is. Some sent from the source to the sample Accordingly, photons are scattered to the detector. Many of these electrons never reach the detector, since their direction changed by a second Compton scatter will, or will be by the photoelectric absorption of the  Pair formation absorbed. The scattered photons that the Reach the detector and interact with it counted by the electrical devices that go to the detector belong.

Die Hauptschwierigkeiten bei den herkömmlichen Gammastrahlungs- Dichtemessungen schließen die Festlegung der Probengröße, die begrenzte effektive Tiefe und Probenahme, die störenden Einflüsse von unerwünschten Störmaterialien, die zwischen der Dichtesonde und der Probe angeordnet sind, und das Erfordernis ein, daß die Sonde an der Bohrlochwand anzuordnen ist. Die chemische Zusammensetzung der Probe beeinflußt gleichfalls die Anzeige von herkömmlichen Gammastrahlungsdichtesonden.The main difficulties with conventional gamma radiation Density measurements include specifying the sample size, the limited effective depth and sampling that disruptive influences of unwanted interference materials that are arranged between the density probe and the sample, and a requirement to locate the probe on the borehole wall is. The chemical composition of the sample affects also the display of conventional gamma radiation density probes.

Eine bekannte Drahtleitungsdichtesonde, die in der US-PS 32 02 822 beschrieben ist, enthält zwei Gammastrahlungsdetektoren, eine kollimierte Gammastrahlungsquelle und verhältnisbildende elektronische Schaltungen und kann so lange eingesetzt werden, wie störende Materialien zwischen den Detektoren der Sonde und der Formationsprobe entlang der Bahnen der ausgesandten und empfangenen Gammastrahlen in ihrer Stärke und chemischen Zusammensetzungen identisch sind. Ungleichförmigkeiten in der Wand des Bohrloches werden die fehlerfreie Arbeit der Sonde stören. Derartige Ungleichförmigkeiten können durch gekrümmte Löcher, Aushöhlungen und durch eine sich ändernde Stärke des Schlammkuchens an der Wand des Loches hervorgerufen werden.A well-known wire line density probe, which is disclosed in US-PS 32 02 822, contains two gamma radiation detectors, a collimated gamma radiation source and ratio-forming electronic circuits and can be used as long like interfering materials between the detectors the probe and the formation sample along the orbits of the emitted and received gamma rays in their strength and chemical compositions are identical. Irregularities in the wall of the borehole the flawless Disrupt the work of the probe. Such irregularities can through curved holes, hollows and through a changing Thickness of the mud cake on the wall of the hole will.

Aus der US-PS 38 46 631 ist weiterhin eine Drahtleitungsdichtesonde bekannt, die unabhängig von der Stärke und der chemischen Zusammensetzung der Materialien arbeitet, die sich zwischen der Dichtesonde und der Probe befinden. Bei dem entsprechenden Meßverfahren werden zwei Gammastrahlen von zwei periodisch arbeitenden Gammastrahlungsquellen in die Probe ausgesandt, wird die rückgestreute Strahlung von jeder der beiden Quellen über zwei separate Detektoren aufgenommen und werden die Verhältnisse der Produkte der vier separaten Zählwerte derart gebildet, daß das numerische Ergebnis eine Anzeige der Dichte der Probe ist.From US-PS 38 46 631 is a wire line density probe known regardless of strength and chemical Composition of materials that works between the density probe and the sample. With the corresponding Measuring methods are two gamma rays from two periodically operating gamma radiation sources in the sample  the backscattered radiation is emitted by each of the two sources recorded via two separate detectors and the ratios of the products of the four separate Count values formed in such a way that the numerical result is a Display the density of the sample.

Die kritische Abmessung der Zwei-Detektor-Sonde ist der Abstand zwischen den Detektoren. Wenn die störenden Materialien über Strecken ungleichförmig sind, die mit dem Abstand der beiden Detektoren vergleichbar sind, wird die gemessene Dichte fehlerhaft sein.The critical dimension of the two-detector probe is the distance between the detectors. If the disruptive materials are non-uniform over distances that vary with the distance of the the two detectors are comparable, the measured density to be faulty.

Keine der oben beschriebenen Drahtleitungssonden eignet sich somit zur Messung während des Bohrvorganges und zum Einbau in ein sich drehendes Bohrgestänge oder eine sich drehende Bohrkolonne.None of the wire line probes described above is suitable thus for measurement during the drilling process and for installation into a rotating drill pipe or a rotating one Drilling column.

Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dichte einer unterirdischen Formation während des Bohrens eines durch die Formation hindurchgehenden Bohrloches geschaffen werden.The invention is intended to provide a method and a device to measure the density of an underground formation during drilling a borehole passing through the formation be created.

Zu diesem Zweck und zur Beseitigung der Unzulänglichkeiten der bekannten Verfahren und Vorrichtungen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Verwendung in einem durch eine Erdformation hindurchgehenden Bohrloch auf, die zwei Gammastrahlen aussendende Einrichtungen enthält, die um 180° um die Einrichtung herum auseinanderliegen, wobei die Einrichtungen kollimierte Gammastrahlen längs zweier Bahnen aussenden, die in einen azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Einrichtung verlaufen, einander an einem ersten Punkt auf der Achse der Einrichtung schneiden, und einen ersten Kreis schneiden, der in einer Probe der zu messenden Formation angeordnet ist, eine erste Gammastrahlen-Detektoreinrichtung, die so ausgerichtet ist, daß sie die ausgesandten und von zwei Stellen in der Formationsprobe gestreuten Gammastrahlen entlang zweier erster Bahnen aufnimmt, wobei diese Bahnen in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Einrichtung verlaufen, einem zweiten Punkt auf der Achse der Einrichtung und den ersten Kreis schneiden, und eine Einrichtung, die das Produkt des Zählwertes der Gammastrahlen bildet, die von der Detektoreinrichtung von jeder der beiden Bahnen bei ihrer Streuung von den zwei Stellen in der Formationsprobe empfangen werden, wobei das Produkt die mittlere Dichte der Formationsprobe angibt.For this purpose and to eliminate the shortcomings of the known methods and devices has the invention Device for use in a borehole passing through an earth formation, which contains two devices emitting gamma rays, which are 180 ° apart around the device, whereby the devices collimated gamma rays along two tracks send out in an azimuthally symmetrical pattern run around the axis of the device, one on the other Cut point on the axis of the device, and one cut the first circle that is in a sample of the one to be measured Formation is arranged, a first gamma ray detector device, which is oriented so that it sends out the  and scattered from two locations in the formation sample Gamma rays along two first tracks, where these orbits in an azimuthally symmetrical pattern around the Axis of the establishment, a second point the axis of the device and cut the first circle, and a device which is the product of the count of the Gamma rays forms from the detector device of each of the two orbits scattered from the two locations be received in the formation sample, the product indicates the average density of the formation sample.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die mittlere Dichte der Probe einer Erdformation, die ein Bohrloch umgibt, dadurch bestimmt, daß eine Einrichtung in ein Bohrloch bis zu einer Stelle neben der Probe abgesenkt wird, Gammastrahlen in die Formation von der Einrichtung längs zweier Bahnen ausgesandt werden, die in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Einrichtung verlaufen, einander an einem ersten Punkt auf der Achse der Einrichtung schneiden und einen ersten Kreis schneiden, der sich in der Formationsprobe befindet, die Gammastrahlen gezählt werden, die ausgesandt und von der Formationsprobe zur Einrichtung entlang einer ersten Gruppe von zwei Bahnen rückgestreut werden, die in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Einrichtung verlaufen, einander an einem zweiten Punkt auf der Achse der Einrichtung schneiden und den ersten Kreis schneiden, und das Produkt der beiden Zählmessungen bestimmt wird, wobei das Produkt die mittlere Dichte der Formationsprobe angibt.In the method according to the invention, the average density a sample of an earth formation surrounding a borehole, determined by having a facility in a borehole up to a place next to the sample is lowered, gamma rays in the formation is sent out from the facility along two tracks be around in an azimuthally symmetrical pattern the axis of the device run one another at a first Cut point on the axis of the device and make a first one Cut the circle that is in the formation sample, the gamma rays that are emitted and emitted by the Formation sample to set up along a first group backscattered by two orbits in an azimuthal symmetrical patterns run around the axis of the device, each other at a second point on the axis of the device cut and cut the first circle, and the product of the two counting measurements is determined, the product being the indicates the average density of the formation sample.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigenThe following is a special based on the accompanying drawing preferred embodiment of the invention described in more detail. Show it

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Dichte einer Formation, durch die ein sich drehendes Bohrgestänge geht, in dem die Vorrichtung angeordnet werden kann, und Fig. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the device according to the invention for measuring the density of a formation through which a rotating drill pipe passes, in which the device can be arranged, and

Fig. 2 eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltung, die benötigt wird, um die gestreuten Photonen zu erfassen, zu zählen und zu verarbeiten. Fig. 2 is a schematic representation of the electronic circuitry required to detect, count and process the scattered photons.

Das Gammadichtemeßzwischenteil 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in Fig.1 dargestellt ist, liegt zwischen einem oberen Bohrgestänge 12 und einem unteren Bohrgestänge 14. Die Drehung der Bohrgestänge 12, 14 führt dazu, daß die Bohrkrone 16 ein Bohrloch 18 ausbildet, das durch die Erdformation 20 hindurchgeht.The intermediate gamma density measuring part 10 according to an exemplary embodiment of the invention, which is illustrated in FIG. 1, lies between an upper drill pipe 12 and a lower drill pipe 14 . Rotation of the drill string 12 , 14 results in the drill bit 16 forming a borehole 18 that passes through the earth formation 20 .

Das Zwischenteil 10 enthält eine erste Gammastrahlungsquelle 22 und eine zweite Gammastrahlungsquelle 24. Die beiden Quellen sind um das Zwischenteil herum in einem azimuthal symmetrischen Muster, d. h. beispielsweise um 180° getrennt angeordnet. Die Quellen sind kollimiert, um Strahlungsbahnen zu bilden, die gleichfalls azimuthal symmetrisch sind. Die Strahlungsbahnen sind so ausgerichtet, daß sie durch einen ersten Punkt 28 auf der Achse 29 des Zwischenteils 10 gehen. Der Begriff "Strahlungsbahn" soll dabei nicht nur den tatsächlichen Weg der Gammastrahlen sondern auch die Verlängerungslinie hinter der Quelle sowie über den Detektor hinaus bezeichnen.The intermediate part 10 contains a first gamma radiation source 22 and a second gamma radiation source 24 . The two sources are arranged around the intermediate part in an azimuthally symmetrical pattern, ie separated, for example, by 180 °. The sources are collimated to form radiation paths that are also azimuthally symmetrical. The radiation paths are aligned so that they go through a first point 28 on the axis 29 of the intermediate part 10 . The term “radiation path” is intended not only to denote the actual path of the gamma rays but also the extension line behind the source and beyond the detector.

Die Anzahl von Quellen kann zu einer einzigen primären Quelle zusammengefaßt sein, von der die ausgesandten Gammastrahlen so kollimiert werden, daß sie zwei symmetrische Gammastrahlenbündel bilden.The number of sources can become a single primary source be summarized from which the emitted gamma rays are collimated so that they are two symmetrical gamma-ray beams form.

Das Zwischenteil 10 enthält weiterhin eine erste Gruppe von Detektoren einschließlich eines ersten Gammastrahlungsdetektors 30 und eines zweiten Gammastrahlungsdetektors 32. Die Detektoren sind um das Zwischenteil 10 in einem azimuthal symmetrischen Muster angeordnet, das axial und azimuthal zu der ersten und zweiten Quelle 22 und 24 in einer Linie ausgerichtet ist. Die Detektoren sind so kollimiert, daß sie die Gammastrahlen empfangen, die von der Formation entlang von zwei Bahnen gestreut werden, die gleichfalls azimuthal symmetrisch sind. Die Bahnen sind so ausgerichtet, daß sie die Achse 29 des Zwischenteils 10 an einem zweiten Punkt 36 schneiden.The intermediate part 10 further includes a first group of detectors including a first gamma radiation detector 30 and a second gamma radiation detector 32 . The detectors are arranged around the intermediate part 10 in an azimuthally symmetrical pattern which is axially and azimuthally aligned with the first and second sources 22 and 24 . The detectors are collimated to receive the gamma rays scattered by the formation along two orbits that are also azimuthally symmetric. The tracks are aligned so that they intersect the axis 29 of the intermediate part 10 at a second point 36 .

Die Srahlungsbahnen von den Quellen schneiden die erste Gruppe von Detektorbahnen an einem ersten Kreis 38 um das Zwischenteil 10 herum. Der erste Kreis liegt in einer Ebene, die senkrecht zur Achse des Zwischenteils 10 verläuft und die Achse 29 an einem dritten Punkt 39 schneidet. Der zweite Punkt 36 befindet sich in einem axialen Abstand vom ersten Punkt 28 und der erste und der zweite Punkt 28, 36 liegen vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des dritten Punktes 39.The radiation paths from the sources intersect the first group of detector paths on a first circle 38 around the intermediate part 10 . The first circle lies in a plane that runs perpendicular to the axis of the intermediate part 10 and intersects the axis 29 at a third point 39 . The second point 36 is at an axial distance from the first point 28 and the first and second points 28 , 36 are preferably on opposite sides of the third point 39 .

Das Zwischenteil 10 enthält eine Gruppe von Detektoren einschließlich eines dritten Gammastrahlunsdetektors 40 und eines vierten Gammastrahlungsdetektors 42. Diese zweite Gruppe von Detektoren ist um das Zwischenteil 10 herum in einem azimuthal symmetrischen Muster angeordnet, das gleichfalls axial und azimuthal in einer Linie mit der ersten und zweiten Quelle 22, 24 und der ersten Gruppe von Detektoren 30 und 32 ausgerichtet ist.The intermediate part 10 contains a group of detectors including a third gamma radiation detector 40 and a fourth gamma radiation detector 42 . This second group of detectors is arranged around the intermediate part 10 in an azimuthally symmetrical pattern which is also axially and azimuthally aligned with the first and second sources 22 , 24 and the first group of detectors 30 and 32 .

Die zweite Gruppe von Detektoren empfängt die Gammastrahlen längs einer dritten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen, die azimuthal symmetrisch um das Zwischenteil 10 herum verlaufen, und die so ausgerichtet sind, daß sie die Achse 29 an einem vierten Punkt 45 und einen zweiten Kreis 72 schneiden. The second group of detectors receives the gamma rays along a third group of two radiation paths which are azimuthally symmetrical around the intermediate part 10 and which are oriented such that they intersect the axis 29 at a fourth point 45 and a second circle 72 .

Vorzugsweise liegen der vierte Punkt 45 und der erste Punkt 28 auf gegenüberliegenden Seiten des dritten Punktes 39. Jede Strahlungsbahn der dritten Gruppe sollte parallel zu einer entsprechenden Strahlungsbahn der zweiten Gruppe verlaufen.The fourth point 45 and the first point 28 are preferably on opposite sides of the third point 39 . Each radiation path of the third group should run parallel to a corresponding radiation path of the second group.

Die erste und die zweite Gruppe von Detektoren sind gegenüber den Quellen abgeschirmt, um zu vermeiden, daß die ausgesandten Gammastrahlen die Detektoren direkt von den Quellen erreichen.The first and the second group of detectors are opposite the sources shielded to avoid that the emitted Gamma rays reach the detectors directly from the sources.

Der erste Kreis 38 und der zweite Kreis 72 in der Formation 20 sind das Zentrum der Formationsproben 46 und 47, deren Dichte jeweils zu messen ist.The first circle 38 and the second circle 72 in the formation 20 are the center of the formation samples 46 and 47 , the density of which is to be measured in each case.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dreht sich das Zwischenteil 10 um seine Achse 29, während Gammastrahlen 48 von der ersten Quelle 22 und Gammastrahlen 50 von der zweiten Quelle 24 in die Probe ausgesandt werden. Die ausgesandten kollimierten Gammastrahlen bilden einen ersten kegelförmigen Bereich der Probe, der bestrahlt wird.In the method according to the invention, the intermediate part 10 rotates about its axis 29 , while gamma rays 48 from the first source 22 and gamma rays 50 from the second source 24 are emitted into the sample. The emitted collimated gamma rays form a first conical area of the sample which is irradiated.

In der Formation 20 werden einige Gammastrahlen 48 und 50 durch die Formationsprobe 46 zur ersten Gruppe von Detektoren gestreut. Gammastrahlen 54 werden an der Stelle 56 in der Formationsprobe 46 zum ersten Detektor 30 gestreut und von diesem empfangen. Gammastrahlen 58 werden an der Stelle 62 in der Formationsprobe 46 zum zweiten Detektor 32 gestreut und von diesem empfangen. Da die beiden kollimierten Strahlungsquellen 22, 24 symmetrisch angeordnet sind, gibt es nur einen geraden konischen Bereich, der während der Drehung des Zwischenteils bestrahlt wird. Die beiden kollimierten Detektoren 30, 32 empfangen die ausgesandten Gammastrahlen, die von der Formationsprobe 46 zum Zwischenteil längs Bahnen rückgestreut werden, die einen zweiten Kegel bilden, der bezüglich des ersten Kegels umgekehrt ist. In the formation 20 , some gamma rays 48 and 50 are scattered through the formation sample 46 to the first group of detectors. Gamma rays 54 are scattered at position 56 in the formation sample 46 to the first detector 30 and received by the latter. Gamma rays 58 are scattered at position 62 in the formation sample 46 to the second detector 32 and received by the latter. Since the two collimated radiation sources 22 , 24 are arranged symmetrically, there is only one straight conical region which is irradiated during the rotation of the intermediate part. The two collimated detectors 30 , 32 receive the emitted gamma rays, which are backscattered from the formation sample 46 to the intermediate part along paths that form a second cone that is reversed with respect to the first cone.

Die Stärke der Kegel ist durch den Kollimatordurchmesser bestimmt. Der Kreis 38, der durch die Kegelschnitte gebildet wird, hat seinen Mittelpunkt 39 auf der Achse 29 des Zwischenteils 10. Zu einem gegebenen Zeitpunkt werden zwei kleine Sektoren 66, 68 der Formationsprobe jeweils im Abstand von 180° gemessen.The cone thickness is determined by the collimator diameter. The circle 38 formed by the conic sections has its center 39 on the axis 29 of the intermediate part 10 . At a given time, two small sectors 66 , 68 of the formation sample are measured at 180 ° intervals.

Die empfangenen Gammastrahlen 54, 58 reagieren mit der ersten Gruppe von Detektoren 30 und 32 und führen zu elektrischen Impulsen. Die Impulsamplituden sind proportional zur Energie der empfangenen Gammastrahlen. Wenn es erwünscht ist, Zählwerte zu liefern, die nur diejenigen Gammastrahlen angeben, die nur einmal in der Probe 46 gestreut wurden, werden diese Impulse durch Vorverstärker und Verstärker verstärkt und nicht dargestellten Diskriminatoren zugeführt, die so eingestellt sind, daß sie nur diejenigen Impulse, die Energiepegel von Gammastrahlen haben, die an der Stelle 56 gestreut wurden, zum Detektor 30 durchlassen und die Impulse mit Energiepegeln von Gammastrahlen, die an der Stelle 62 gestreut wurden, zum Detektor 32 durchlassen. Die Gammastrahlen, die mehrfach gestreut wurden, werden vor dem Eintritt in die Detektoren 30, 32 durch die Diskriminatoren zurückgewiesen. Der Ausgang der Detektoren und ggfs. der Diskriminatoren führt zu Gattern, die einzelne Zählwerte der empfangenen Gammastrahlen von den beiden Detektoren 30, 32 liefern. Diese Anordnung ist im wesentlichen in Fig. 2 dargestellt.The received gamma rays 54 , 58 react with the first group of detectors 30 and 32 and lead to electrical pulses. The pulse amplitudes are proportional to the energy of the received gamma rays. If it is desired to provide counts that indicate only those gamma rays that have been scattered only once in sample 46 , these pulses are amplified by preamplifiers and amplifiers and supplied to discriminators, not shown, which are set to only those pulses, have the energy levels of gamma rays scattered at location 56 passed to detector 30 and the pulses with energy levels of gamma rays scattered at location 62 have passed to detector 32 . The gamma rays, which have been scattered several times, are rejected by the discriminators before they enter the detectors 30 , 32 . The output of the detectors and, if appropriate, the discriminators leads to gates which supply individual counts of the received gamma rays from the two detectors 30 , 32 . This arrangement is shown essentially in FIG. 2.

Das Produkt der Zählwerte in den naheliegenden Detektoren 30 und 32 und den entfernt liegenden Detektoren 40 und 42 und der Quotient der Produkte wird unter Verwendung der elektronischen Schaltungen gebildet, die schematisch in Fig. 2 dargestellt sind. Die Zähler 80 bis 83 wandeln die Stromimpulse von den Detektoren in digitale Spannungsimpulse über Verstärker und nicht dargestellte Spannungsdiskriminatoren um, woraufhin die Zählwerte gespeichert werden. Die Zählwerte von den naheliegenden Detektoren 30, 32 werden in Zählern 80 und 81 gespeichert, während die Zählwerte von den entfernt liegenden Detektoren 40, 42 in den Zählern 82, 83 gespeichert werden. Die Eingangswerte für die Zähler sind Spannungszählwerte von den Detektoren und Spannungspegel vom Taktgeber 75.The product of the counts in the nearby detectors 30 and 32 and the remote detectors 40 and 42 and the quotient of the products is formed using the electronic circuits shown schematically in FIG. 2. The counters 80 to 83 convert the current pulses from the detectors into digital voltage pulses via amplifiers and voltage discriminators (not shown), whereupon the count values are stored. The counts from nearby detectors 30 , 32 are stored in counters 80 and 81 , while counts from remote detectors 40 , 42 are stored in counters 82 , 83 . The input values for the counters are voltage counts from the detectors and voltage levels from clock 75 .

Der Taktgeber 75 ist so eingestellt, daß er in regelmäßigen Intervallen von beispielsweise 30 Sekunden einen Impuls erzeugt. Wenn der Taktgeber 75 einen Impuls zu den Zählern 80 bis 83 und zu den Multiplikatoren 84, 85 ausgibt, werden die Zählwerte in den Zählern 80, 81 und die Zählwerte in den Zählern 82, 83 durch die Multiplikatoren 84 und 85 jeweils miteinander multipliziert. Die Multiplizierungseinrichtung 84 berechnet das Produkt der Zählwerte in den Zählern 80, 81, die Multipliziereinrichtung 85 berechnet das Produkt der Zählwerte in den Zählern 82, 83. Die Teileinrichtung 86 berechnet den Quotienten der Produkte von den Einrichtungen 84 und 85 immer dann, wenn ein Impuls vom Taktgeber 75 signalisiert wird. Der Ausgangswert des Teilers 86, d. h. das Verhältnis der Ausgangswerte der Multiplikatoren 84, 85 kann dann durch einen geeigneten Schreiber 87 gegenüber der Zeit aufgetragen werden.The clock 75 is set so that it generates a pulse at regular intervals of, for example, 30 seconds. When the clock 75 outputs a pulse to the counters 80 to 83 and the multipliers 84 , 85 , the counts in the counters 80 , 81 and the counts in the counters 82 , 83 are multiplied together by the multipliers 84 and 85, respectively. The multiplier 84 calculates the product of the count values in the counters 80 , 81 , the multiplier 85 calculates the product of the count values in the counters 82 , 83 . The sub-device 86 calculates the quotient of the products from the devices 84 and 85 whenever a pulse is signaled by the clock generator 75 . The output value of the divider 86 , ie the ratio of the output values of the multipliers 84 , 85 can then be plotted against the time by a suitable recorder 87 .

Die einzelnen Zählwerte von den Detektoren 30, 32, 40 und 42 können mit der Zeit entsprechend der Position des Zwischenteils im Bohrloch infolge der Drehung des Bohrgestänges aus der Achse des Bohrloches heraus variieren.The individual counts from detectors 30 , 32 , 40 and 42 may vary over time according to the position of the intermediate part in the borehole due to the rotation of the drill string from the axis of the borehole.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei momentane Zählwerte von der ersten Gruppe von Detektoren 30, 32 durch den Multiplikator 84 multipliziert, was zu einem konstanten Wert führt und zeitliche Variablen wie beispielsweise die Stärke des Schlammes, durch den die ausgesandten Gammastrahlen hindurchgehen müssen, um von den Detektoren empfangen zu werden, und die Bewegung des Zwischenteils in Bezug auf die Bohrlochwand ausschließt.In the method according to the invention, two instantaneous count values from the first group of detectors 30 , 32 are multiplied by the multiplier 84 , which leads to a constant value and temporal variables such as the strength of the sludge, through which the emitted gamma rays have to pass in order to pass from the Detectors to be received, and excludes the movement of the intermediate part with respect to the borehole wall.

Bei einer nicht axialen Lage des Zwischenteils werden am Detektor 30 Gammastrahlen 48 empfangen, die von der Formationsprobe 46 gestreut werden. Diese Strahlen 48 sind durch eine andere Menge an Schlamm und Formation als die Gammastrahlen 50 von der Quelle 24 hindurchgegangen. Die Summe der Weglängen durch den Schlamm und die Summe der Weglängen durch die Formation sind jedoch konstant, vorausgesetzt, daß der Durchmesser des Zwischenteils 10 im wesentlichen dem Durchmesser des Bohrloches 18 ähnlich ist.If the intermediate part is in a non-axial position, 30 gamma rays 48 are received at the detector and are scattered by the formation sample 46 . These rays 48 have passed through a different amount of mud and formation than the gamma rays 50 from the source 24 . However, the sum of the path lengths through the mud and the sum of the path lengths through the formation are constant, provided that the diameter of the intermediate part 10 is substantially similar to the diameter of the borehole 18 .

Die Dichteaufzeichnung für die Messung bei Bohrvorgängen sollte innerhalb von etwa 0,1 g/cm3 genau sein. Da die Formationsdichte im typischen Fall 2,5 g/cm3 beträgt, liegt die benötigte Genauigkeit bei etwa 4%. Wenn die vertikale Auflösung, die für die Aufzeichnung benötigt wird, 15 cm beträgt, kann die benötigte Zählrate wie folgt abgeschätzt werden: wobei σ die statische Schwankungsbreite des Produktes N 1 N 2 bezeichnet,
N 1 der Gesamtzählwert an den Detektoren 30 ist und
N 2 der Gesamtzählwert an den Detektoren 32 ist.The density record for the measurement during drilling operations should be accurate within about 0.1 g / cm 3 . Since the formation density is typically 2.5 g / cm 3 , the required accuracy is around 4%. If the vertical resolution required for the recording is 15 cm, the required count rate can be estimated as follows: where σ denotes the static fluctuation range of the product N 1 N 2 ,
N 1 is the total count at the detectors 30 and
N 2 is the total count at detectors 32 .

Wenn angenommen wird, daß N 1≈N 2=N ist, dann ergibt sich nach der Statistik und Aufgelöst nach N ergibt sichIf it is assumed that N 1 ≈ N 2 = N , then the statistics show and Dissolved to N results in

N 1250 N 1250

Jede Dichtemessung sollte ein Mittel von 1250 Ereignisse pro Messung zählen, d. h. es sollte eine Messung alle 15 cm erfolgen. Bei einer Bohrgeschwindigkeit von 18 m/ Stunde wird daher jede Messung in 30 Sekunden abgeschlossen.Each density measurement should average 1250 events per Count measurement, d. H. a measurement should be taken every 15 cm. At a drilling speed of 18 m / hour therefore each measurement completed in 30 seconds.

Jeder Detektor 30, 32, 40, 42 sollte daher eine ausreichende Empfindlichkeit haben, so daß etwa 43 Zählungen pro Sekunde registriert werden. Es kann auch jede Quelle so eingestellt werden, daß sie mit einer Frequenz sendet, daß die Detektoren die erforderliche Rate von 43 Zählereignissen pro Sekunde empfangen.Each detector 30 , 32 , 40 , 42 should therefore have sufficient sensitivity so that approximately 43 counts per second are registered. Each source can also be set to transmit at a frequency such that the detectors receive the required rate of 43 counts per second.

Um Bohrlocheinflüsse auf die Messung der mittleren Dichte der Formationsproben 46 und 47 zu kompensieren, schließt das erfindungsgmäße Verfahren die Verwendung der Zählwerte der zweiten Gruppe von Detektoren 40, 42 ein. Das Produkt dieser beiden Zählwerte (Ausgangswert des Multiplikators 85) wird dann dazu benutzt, ein Verhältnis (Ausgangswert des Teilers 86) zwischen dem Produkt der ersten Gruppe von Detektoren und dem Produkt der zweiten Gruppe von Detektoren zu bilden. Es kann auch das Produkt der beiden Verhältnisse eines Detektors der ersten Gruppe zu einem entsprechenden Detektor der zweiten Gruppe dazu benutzt werden, die mittlere Dichte zu bestimmen. Das ist im wesentlichen in Fig. 2 dargestellt.In order to compensate for borehole influences on the measurement of the average density of the formation samples 46 and 47 , the method according to the invention includes the use of the count values of the second group of detectors 40 , 42 . The product of these two counts (output value of multiplier 85 ) is then used to form a ratio (output value of divider 86 ) between the product of the first group of detectors and the product of the second group of detectors. The product of the two ratios of a detector of the first group to a corresponding detector of the second group can also be used to determine the average density. This is essentially shown in Fig. 2.

Eine ähnliche Anordnung für die zweite Gruppe von Detektoren 40, 42 kann im Zwischenteil 10 vorgesehen sein, um die von der zweiten Gruppe empfangenen Gammastrahlen aufzunehmen, zu unterscheiden, zu zählen, zu speichern und zur Messung zu verwenden, wie es in Fig. 2 dargesteltt ist.A similar arrangement for the second group of detectors 40 , 42 can be provided in the intermediate part 10 in order to record, distinguish, count, store and use the gamma rays received by the second group, as is shown in FIG. 2 is.

Die Art der Gammastrahlungsquelle ist für die erfindungsgemäße Ausbildung nicht ausschlaggebend, da verschiedene Arten für verschiedene Anwendungszwecke bevorzugt sind. Kapselartige Quellen, die radioaktive Isotope wie beispielsweise Kobalt 60 und Cäsium 137 enthalten, sind Arten von Gammastrahlungsquellen, die am häufigsten in Gammastrahlungs-Dichtesonden verwandt werden.The type of gamma radiation source is for the invention Training is not crucial as there are different types for different applications are preferred. Capsule-like Sources containing radioactive isotopes such as cobalt 60  and cesium 137, are types of gamma radiation sources the most common in gamma radiation density probes be used.

Die Durchmesser des Bohrloches 18 und des Zwischenteils 10 sollten im wesentlichen äquivalent sein. Das kann unter Verwendung von Stabilisatoren außen im Zwischenteil erreicht werden, die dann einen Teil der relativen Durchmesserfestlegung bilden.The diameter of the borehole 18 and the intermediate part 10 should be essentially equivalent. This can be achieved using stabilizers on the outside in the intermediate part, which then form part of the relative diameter setting.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Verwendung in einem durch eine Erdformation hindurchgehenden Bohrloch, gekennzeichnet durch Gammastrahlen aussendende Einrichtungen (22, 24), die kollimierte Gammastrahlen entlang einer ersten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen aussenden, die in einem azimuthalen symmetrischen Muster um die Längsachse der Vorrichtung herum ausgehen, an einem ersten Punkt (28) auf der Achse der Vorrichtung schneiden und einen ersten Kreis (38) schneiden, der sich in einer Probe der zu messenden Formation befindet, erste Gammastrahlendetektoreinrichtungen (30, 32), die so ausgerichtet sind, daß sie die ausgesandten und von zwei Stellen in der Formationsprobe gestreuten Gammastrahlen längs einer zweiten Gruppe von Strahlungsbahnen empfangen, die in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Vorrichtung herum verlaufen, einen zweiten Punkt (36) auf der Achse der Vorrichtung und den ersten Kreis schneiden, und eine Einrichtung (84), die ein erstes Produkt der Zählwerte der Gammastrahlen bildet, die durch die ersten Detektoreinrichtungen (30, 32) über jede der beiden Strahlungsbahnen nach einer Streuung von jeder der beiden Stellen in der Formationsprobe empfangen werden, wobei das erste Produkt die mittlere Dichte der Formationsprobe angibt.1. A device for use in a borehole passing through an earth formation, characterized by devices ( 22 , 24 ) which emit gamma rays and emit collimated gamma rays along a first group of two radiation paths which emanate in an azimuthally symmetrical pattern around the longitudinal axis of the device, cut at a first point ( 28 ) on the axis of the device and cut a first circle ( 38 ) located in a sample of the formation to be measured, first gamma ray detector means ( 30 , 32 ) oriented to emit the ones and received gamma rays scattered from two locations in the formation sample along a second group of radiation trajectories that run in an azimuthally symmetrical pattern around the axis of the device, intersect a second point ( 36 ) on the axis of the device and intersect the first circle, and one Device ( 84 ), the first product of the count forms the gamma rays received by the first detector means ( 30 , 32 ) over each of the two radiation paths after scattering from each of the two locations in the formation sample, the first product indicating the average density of the formation sample. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kreis (38) in einer ersten Ebene senkrecht zur Achse der Vorrichtung liegt und die Achse an einem dritten Punkt (39) schneidet.2. Device according to claim 1, characterized in that the first circle ( 38 ) lies in a first plane perpendicular to the axis of the device and the axis intersects at a third point ( 39 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Bohrgestänge verwandt werden kann.3. Device according to claim 1, characterized in that that they are related in a drill pipe can be. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlen aussendenden Einrichtungen (22, 24) Gammastrahlen umfassen, wobei jede Quelle kollimiert ist, um Gammastrahlen entlang einer jeden Strahlungsbahn der ersten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen auszusenden.4. The device according to claim 1, characterized in that the gamma ray emitting means ( 22 , 24 ) comprise gamma rays, each source being collimated to emit gamma rays along each radiation path of the first group of two radiation paths. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen in einm azimuthal symmetrischen Muster um die Vorrichtung herum angeordnet sind und in einer zweiten Ebene ligen, die senkrecht zur Achse der Vorrichtung verläuft.5. The device according to claim 4, characterized in that the sources are symmetrical in azimuth Patterns are arranged around the device and in a second level, perpendicular to the axis of the device runs. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Detektoreinrichtungen (30, 32) zwei Detektoren umfassen, wobei jeder Detektor kollimiert ist, so daß er Gammastrahlen entlang einer der Bahnen der zweiten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen empfängt.6. The device according to claim 1, characterized in that the first detector means ( 30 , 32 ) comprise two detectors, each detector being collimated so that it receives gamma rays along one of the paths of the second group of two radiation paths. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie unabhängig von ihrer Position im Bohrloch arbeiten kann. 7. The device according to claim 1, characterized in that that regardless of their position in Borehole can work.   8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zweite Detektoreinrichtungen (40, 42), die so ausgerichtet sind, daß sie Gammastrahlen empfangen, die ausgesandt und von den zwei Stellen in der Formationsprobe entlang einer dritten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen gestreut werden, die an einem vierten Punkt (45) auf der Achse der Vorrichtung und einen zweiten Kreis (72) um die Achse schneiden, wobei der zweite Kreis (72) durch die erste Gruppe von zwei Strahlungsbahnen geschnitten wird, eine Einrichtung (85), die ein zweites Produkt der Zählwerte der Gammastrahlen bildet, die von der zweiten Detektoreinrichtungen (40, 42) von jeder der zwei Strahlungsbahnen nach einer Streuung von jeder der zwei Stellen in er Formationsprobe empfangen werden, und eine Teilereinrichtung (86), die das erste Produkt durch das zweite Produkt teilt, um ein Verhältnis zu bilden, das die mittlere kompensierte Dichte der Formationsprobe angibt.8. The apparatus of claim 1, characterized by second detector means ( 40 , 42 ) which are oriented to receive gamma rays which are emitted and scattered from the two locations in the formation sample along a third group of two radiation paths which at one intersect the fourth point ( 45 ) on the axis of the device and a second circle ( 72 ) around the axis, the second circle ( 72 ) being cut by the first group of two radiation paths, means ( 85 ) which is a second product of the Forms counts of the gamma rays received by the second detector means ( 40 , 42 ) from each of the two radiation paths after scattering from each of the two locations in the formation sample and a divider means ( 86 ) which divides the first product by the second product to form a ratio indicating the average compensated density of the formation sample. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Punkt (28) im Abstand vom zweiten Punkt (36) liegt.9. The device according to claim 1, characterized in that the first point ( 28 ) is at a distance from the second point ( 36 ). 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Punkt (28) und der zweite Punkt (36) im Abstand vom vierten Punkt (45) liegen.10. The device according to claim 8, characterized in that the first point ( 28 ) and the second point ( 36 ) are at a distance from the fourth point ( 45 ). 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Punkt (28) auf einer Seite des dritten Punktes (39) liegt, während der zweite Punkt (36) auf der gegenüberliegenden Seite des dritten Punktes (39) liegt.11. The device according to claim 9, characterized in that the first point ( 28 ) lies on one side of the third point ( 39 ), while the second point ( 36 ) lies on the opposite side of the third point ( 39 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Punkt (28) auf einer Seite des dritten Punktes (39) liegt, während der vierte Punkt (45) auf der gegenüberliegenden Seite des dritten Punktes (39) liegt. 12. The apparatus according to claim 8, characterized in that the first point ( 28 ) is on one side of the third point ( 39 ), while the fourth point ( 45 ) is on the opposite side of the third point ( 39 ). 13. Verfahren zum Bestimmen der mittleren Dichte einer Probe einer Formation, die ein Bohrloch umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung in das Bohrloch bis zu einer Stelle neben der Probe abgesenkt wird, Gammastrahlen in die Formation von der Vorrichtung entlang einer ersten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen ausgesandt werden, die in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Vorrichtung verlaufen, wobei die erste Gruppe von zwei Strahlungsbahnen an einem ersten Punkt auf der Achse der Vorrichtung und gleichfalls einen ersten Kreis schneidet, der sich in der Formationsprobe befindet, die Gammastrahlen gezählt werden, die ausgesandt und von der Formationsprobe zur Vorrichtung entlang einer zweiten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen rückgestreut werden, die in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Vorrichtung verlaufen, wobei die zweite Gruppe von zwei Strahlungsbahnen an einem zweiten Punkt auf der Achse der Vorrichtung und gleichfalls den ersten Kreis schneidet, und ein erstes Produkt der beiden Zählwerte gebildet wird, wobei das erste Produkt die mittlere Dichte der Formationsprobe angibt.13. Method for determining the average density of a Sample of a formation surrounding a borehole characterized in that a device in the The borehole is lowered to a point next to the sample, Gamma rays into the formation along the device a first group of two radiation paths be in an azimuthally symmetrical pattern around the Axis of the device, the first group of two radiation paths at a first point on the axis the device and likewise intersects a first circle, which is in the formation sample, the gamma rays be counted out and sent out from the formation sample to the device along a second group of two radiation paths backscattered in an azimuthal symmetrical patterns run around the axis of the device, the second group of two radiation paths on one second point on the axis of the device and likewise intersects the first circle, and a first product of the two Count values are formed, the first product being the middle one Specifies the density of the formation sample. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlen gezählt werden, die ausgesandt und von der Formationsprobe zur Vorrichtung entlang einer dritten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen rückgestreut werden, die in einem azimuthal symmetrischen Muster um die Achse der Vorrichtung verlaufen, wobei die dritte Gruppe von zwei Strahlungsbahnen an einem dritten Punkt im Abstand vom zweiten Punkt auf der Achse der Vorrichtung und gleichfalls einen zweiten Kreis um die Achse schneidet, und der zweite Kreis auch von der ersten Gruppe von zwei Strahlungsbahnen geschnitten wird, ein zweites Produkt der wenigstens zwei Zählwerte gebildet wird und das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Produkt bestimmt wird, wobei dieses Verhältnis die mittlere kompensierte Dichte der Formationsprobe angibt.14. The method according to claim 13, characterized in that the gamma rays are counted that sent out and from the formation sample to the device backscattered from a third group of two radiation paths be in an azimuthally symmetrical pattern run around the axis of the device, the third Group of two radiation paths at a third point in the Distance from the second point on the axis of the device and also intersects a second circle around the axis, and the second circle also from the first group of two radiation paths is cut, a second product of at least two counts are formed and the ratio between the first and the second product is determined, this  Ratio the average compensated density of the formation sample indicates.
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