DE602004001045T2 - Bohrlochmessgerät mit Strahlenschutzabschirmung und Messverfahren - Google Patents

Bohrlochmessgerät mit Strahlenschutzabschirmung und Messverfahren Download PDF

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    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/01Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Vermessen oder Protokollieren von Öl-, Wasser- oder Gasbohrlöchern in unterirdischen Formationen, die ein Bohrloch umgeben, und insbesondere auf ein Protokollierwerkzeug mit einer Störstrahlungsabschirmung wie etwa ein Messwerkzeug zum Protokollieren der Gammastrahlendichte während des Bohrens.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Bei der Erkundung und Förderung von Kohlenwasserstoffen ist es von größter Wichtigkeit, zu ermitteln, ob eine gegebene Erdformation Kohlenwasserstoffe enthält, und die Kohlenwasserstoffmenge in der Formation zu bestimmen. Daher werden Formationseigenschaften während des Bohrens oder in einem frisch gebohrten Bohrloch gemessen, um das Vorhandensein von Öl, Gas und Wasser in der Formation vorherzusagen. Diese Formationseigenschaften können mit Drahtleitungswerkzeugen, Werkzeugen für das Protokollieren während des Bohrens (LWD-Werkzeugen) oder Werkzeugen für das Messen während des Bohrens (MWD-Werkzeugen) registriert werden. Ein Verfahren zum Vorhersagen von Formationseigenschaften ist, die Materialdichte in einer Erdformation unter Verwendung einer Kernstrahlungsquelle und eines Strahlungsdetektors zu messen. Die Dichte eines Materials kann entweder durch Übertragungs- oder eine Streuungsmessung bestimmt werden. Bei einer Übertragungsmessung wird das Material, dessen Dichte bestimmt werden soll, zwischen die Strahlungsquelle und den Detektor gebracht. Bei einer Streuungsmessung werden die Intensität und die Energieverteilung der Strahlung, die von dem zu untersuchenden Material zu einem Detektor zurückgestreut wird, verwendet, um die Dichte zu bestimmen. Messungen der Formationsdichte im Bohrloch sind vom Streuungstyp, da es im Allgemeinen nicht möglich ist, das Formationsmaterial direkt zwischen die Quelle und den Detektor einzuführen, es sei denn Gesteinsproben, die der Formation entnommen worden sind.
  • Seit vielen Jahren werden Gammastrahlen-Streuungssysteme verwendet, um die Dichte eines von einem Bohrloch durchdrungenen Materials zu messen. Typischerweise wird die Dichte als Funktion der Position entlang des Bohrlochs gemessen, wodurch sich ein "Bohrbericht" als Funktion der Tiefe in dem Bohrloch ergibt. Das Messwerkzeug umfasst typischerweise eine Strahlungsquelle und einen oder mehrere Strahlungsdetektoren, die in derselben Ebene wie die Quelle liegen und typischerweise in einem druckdichten Behälter angebracht sind. Die Strahlung trifft auf das Material auf und tritt mit diesem in Wechselwirkung, wobei ein Anteil der auftreffenden Strahlung durch das Material gestreut wird und ein Anteil davon zu dem Detektor zurückkehrt. Nach geeigneter Systemkalibrierung kann die Intensität der erfassten Streustrahlung auf die Schüttdichte des Materials bezogen werden.
  • Die radiale Empfindlichkeit des Dichtemesssystems wird durch mehrere Faktoren wie etwa die von der Quelle emittierte Gammastrahlung, den axialen Abstand zwischen der Quelle und dem einen oder den mehreren Gammastrahlendetektoren und den Eigenschaften des Bohrlochs und der Formation beeinflusst. Die Formation in unmittelbarer Nähe des Bohrlochs ist gewöhnlich durch den Bohrvorgang, genauer durch das Bohrfluid, das die Formation in der Nähe des Bohrlochbereichs angreift, gestört. Ferner streben Schweb- oder Feststoffe aus dem Bohrfluid danach, sich an der Bohrlochwand aufzubauen. Dieser Aufbau wird gewöhnlich als Schlammkuchen bezeichnet und beeinflusst das Verhalten des Systems nachteilig. In dieser Weise beeinflusst das zwischen dem Werkzeug und der Bohrlochwand auftretende Material die Ansprechempfindlichkeit des Werkzeugs nachteilig. In dem Werkzeug selbst zwischen den aktiven Elementen des Werkzeugs und der äußeren radialen Oberfläche des Werkzeugs auftretendes Material beeinflusst wiederum die Ansprechempfindlichkeit der Werkzeugs, da es einen Streustrahlungshintergrund erzeugt, der von dem Vorhandensein des Bohrlochfluids, des Schlammkuchens oder der Formation unabhängig ist. Typische Quellen sind insofern isotropisch, dass die Strahlung mit im Wesentlichen radialer Symmetrie emittiert wird. Der Fluss pro Einheitsfläche nimmt umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zur Quelle ab. Die Strahlung pro Einheitsfläche, die von der Formation in die Detektoren in dem Werkzeug zurück gestreut wird, nimmt mit zunehmendem Abstand ebenfalls, jedoch nicht notwendigerweise umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes, ab. Um die statistische Genauigkeit der Messung zu maximieren, sollten die Quelle und der Detektor so nahe wie praktisch möglich an der Bohrlochumgebung angeordnet sein, wobei dennoch eine angemessene Abschirmung und eine angemessene Kollimation bewahrt werden.
  • Systeme für das Protokollieren während des Bohrens im Stand der Technik verwenden zum Minimieren des Abstandes verschiedenartige Quellen- und Detektorengeometrien wie etwa das Platzieren einer Gammastrahlenquelle und eines oder mehrerer Gammastrahlendetektoren außerhalb des Werkzeugkörpers in einer Schwerstange bzw. einem Bohrkranz, wobei zwischen Quelle und Detektoren und dem Bohrloch und der Formation Stabilisatoren angeordnet sind, oder innerhalb von Stabilisatorrippen, die sich von einem Bohrkranz strahlenförmig ausbreiten. Dies führt dazu, das Auftreten von Material innerhalb des Werkzeugs zu minimieren, und positioniert die Quelle und die Detektoren nahe der Bohrlochumgebung, jedoch häufig auf Kosten einer Abnahme des Wirkungsgrades der Abschirmung und der Kollimation. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird häufig durch die Erfassung von Teilchen, die nicht der Erdformation entnommen sind, sondern stattdessen durch Bereiche geringer Dichte oder Lücken, die in dem Werkzeug zwischen der Quelle und den Detektoren vorhanden sind, und vor allem durch den Kranz und den Stabilisator gewandert sind, verschlechtert.
  • Die Abschirmung der Quelle und der Detektoren, die in dem Werkzeugkörper angebracht sind, ist im Stand der Technik wohlbekannt; das Chassis ist abgeschirmt, und die Detektoren sind in einer abgeschirmten Halterung mit Fenstern, durch die die Strahlung erfasst wird, angebracht. Andere Patente des Standes der Technik richten sich auf eine totale Strahlungsabschirmung des Werkzeugs zum Nachteil der Funktionalität: EP 0 160 351 beschreibt ein abgeschirmtes Werkzeuggehäuse mit Fenstern, die eine Instrumentenbaugruppe aufnimmt, US 6.666.285 beschreibt eine Vorrichtung, die einen Hohlraum aufweist, um eine kompakte abgeschirmte Instrumentenbaugruppe aufzunehmen. Jene Vorrichtungen sind schwer und zerbrechlich, da sie ein Gerippe verwenden, das insgesamt aus Materialien hoher Dichte gefertigt ist, wobei sie unter rauen Bohrbedingungen brechen können, was zur Zerstörung und möglicherweise zum Verlust der Instrumentenbaugruppe und, was noch kritischer ist, zum Verlust der radioaktiven Quelle führt. Dem Problem, in dem Kranz und dem Stabilisator eine Abschirmung vorzusehen, ist noch nicht erfolgreich begegnet worden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Protokollierwerkzeug wie in Anspruch 1.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Werkzeug ferner einen Stabilisator, der sich am Umfang um die äußere Kranzoberfläche befindet, wobei der Stabilisator eine Stabilisatorwand, die durch eine innere Stabilisatoroberfläche und eine äußere Stabilisatoroberfläche definiert ist, umfasst und wobei sich die Strahlungsabschirmung zwischen dieser inneren Kranzoberfläche und dieser äußeren Stabilisatoroberfläche befindet. Der Stabilisator verstärkt den Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Formation, indem er den für Schlamm verfügbaren Raum zwischen dem Werkzeug und der Formation verkleinert.
  • Das Werkzeug ist so gestaltet, dass sich die Quelle und der Detektor so nahe wie praktisch möglich an der Bohrlochumgebung befinden. Die Strahlungsabschirmungen vergrößern das Signal-Rausch-Verhältnis. Außerdem schlägt die im Folgenden dargelegte Erfindung eine robuste, sichere und funktionelle Konfiguration vor.
  • Die Strahlungsabschirmung besitzt eine Dicke im Querschnitt senkrecht zu der Hauptachse, die vorzugsweise weniger als 40% der Breite des Werkzeugs an der Position der Strahlung emittierenden Quelle beträgt. Dies macht es möglich, einen wesentlichen Anteil der Strahlung, die von der Quelle kommt und nicht durch das Bohrlochfluid und die Formation gegangen ist, deren Weg jedoch ganz und gar innerhalb des Kranzes und des Stabilisators lag, auszuschließen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Strahlungsabschirmung eine ringförmige Gestalt und umgibt das Detektorfenster und besitzt längs der Achse eine Länge, die weniger als 40% des Abstandes zwischen der Quelle und dem Detektor beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Strahlungsabschirmung eine Dicke im Querschnitt senkrecht zu der Hauptachse, die weniger als 40% der Breite des Werkzeugs an der Position der Strahlung emittierenden Quelle beträgt. Dies ermöglicht das Ausschließen eines Teils der Strahlungen, die durch den Kranz zum Detektorfenster, jedoch nicht durch das Fenster in dem Kranz zum Detektorfenster gehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Erfindung auf ein Strahlungsdichte-Messsystem in unterirdischen Formationen, die ein Bohrloch mit einer chemischen radioaktiven Quelle oder einer elektronischen Quelle, die Röntgenstrahlen emittiert, oder einer chemischen oder elektronischen Neutronenquelle umgeben, gerichtet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Erfindung auf ein Werkzeug für das Protokollieren der Gammastrahlendichte während des Bohrens gerichtet. Das System umfasst eine Gammastrahlenquelle und einen oder mehrere Gammastrahlendetektoren. Mehrere (2 oder mehr) Detektoren schaffen einen besseren Wirkungsgrad und ermöglichen eine Kompensation der Auswirkung von zwischen dem Werkzeug und der Formation auftretendem Schlamm oder Schlammkuchen. Jedoch könnten die Grundkonzepte der Erfindung, wie erkennbar ist, bei anderen Typen und Klassen von Protokolliersystemen, Systemen zum Protokollieren während des Bohrens oder Systemen zum Protokollieren während des Messens angewandt werden. Um ein Beispiel zu nennen, kann die Erfindung in einem Neutronenporositätssystem zum Messen der Formationsporosität verwendet werden, bei dem der Sensor eine Neutronenquelle und einen oder mehrere Neutronendetektoren umfasst.
  • Die Gammastrahlen-Strahlungsabschirmung ist aus einem Material mit einer hohen Atomzahl, das gewöhnlich als "Hoch-Z-Material" bezeichnet wird, hergestellt. Ein Hoch-Z-Material ist ein wirksamer Dämpfer von Gammastrahlen-Strahlung und ermöglicht die wirksame Abschirmung und Kollimation sowie eine optimale Anordnung der Quelle und der Detektoren bezüglich der Bohrlochumgebung.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem ein Verfahren zum Protokollieren eines Bohrlochs unter Verwendung eines Werkzeugs, wie es oben erwähnt worden ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungn
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich:
  • 1 zeigt ein Werkzeug zum Protokollieren während des Bohrens gemäß der Erfindung.
  • 2a ist eine Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs von 1, wobei sich die Strahlungsabschirmung zwischen einer Quelle und einem ersten Detektor befindet.
  • 2b ist eine Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs von 1, wobei sich die Strahlungsabschirmung nahe bei dem ersten Detektor befindet.
  • 2c ist eine Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs von 1 mit beiden Strahlungsabschirmungen.
  • 3 zeigt Impulshöhenspektren, die durch numerisches Modellieren des Werkzeugs zum Protokollieren während des Bohrens nach den 2a und 2c erhalten werden, sowie einen Fall, in dem keine der Abschirmungen 30 und 31 vorhanden ist.
  • Genaue Beschreibung
  • 1 zeigt ein Werkzeug zum Protokollieren während des Bohrens, als Gesamtheit durch das Bezugszeichen 20 ausgewiesen, das mittels eines Bohrstrangs in einem Bohrloch 18, das durch eine Bohrlochwand 14 definiert ist und eine Erdformation 16 durchdringt, angeordnet ist. Das obere Ende des Kranzelements 22 des Werkzeugs 20 ist betriebsbereit am unteren Ende eines Gestängerohrstrangs 28 angebracht. Das Stabilisatorelement des Werkzeugs 20 ist durch das Bezugszeichen 24 ausgewiesen. Eine Bohrkrone 26 schließt das untere Ende des Protokollierwerkzeugs 20 ab. Jedoch können an beiden Enden des Werkzeugs 20 zwischen dem Gestängerohr 28 und der Bohrkrone 26 selbstverständlich weitere Elemente angeordnet sein. Das obere Ende des Gestängerohrs 28 schließt an einem Rotary-Bohrgestell 10 an der Erdoberfläche 12 ab. Das Bohrgestell dreht das Gestängerohr 28 und das damit zusammenarbeitende Werkzeug 20 sowie die Bohrkrone 26, die dadurch das Bohrloch 18 vorantreibt. Durch den axialen Durchgang in dem Kranz 22 wird Bohrschlamm das Gestängerohr 28 hinab umgewälzt, der an der Bohrkrone 26 austritt, um über den durch die äußere Oberfläche des Bohrstrangs und die Bohrlochwand 14 definierten Ringraum an die Oberfläche 12 zurückzukehren.
  • Die 2a, 2b und 2c stellen konzeptionell Strahlungsabschirmungen an dem Werkzeug 20 von 1 dar, die in einer Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs gezeigt sind. In einer ersten Ausführungsform ist das Werkzeug ein Gammastrahlen-Streuungswerkzeug für das Protokollieren während des Bohrens mit einer chemischen radioaktiven Quelle. Das Werkzeug 20 ist aus einem lang gestreckten Werkzeugkörper 21 und einem Bohrkranz 22, der am Umfang um den Werkzeugkörper 21 angeordnet ist, gebildet. Bei dem gezeigten Werkzeug ist in Umfangsrichtung um den Bohrkranz 22 ein Stabilisator 24 angeordnet; der Stabilisator ist optional und verringert die Menge an Schlamm zwischen dem Werkzeug und der Formationswand und daher den Einfluss des Bohrlochfluids auf die Messung. Das Werkzeug 20 weist ein Quellenkollimationsfenster 202, durch das die Erdformation 16 durch die von der radioaktiven Quelle emittierten Strahlung bestrahlt wird, und zwei Detektorkollimationsfenster 212 und 222 auf, durch die die von außerhalb des Werkzeugs 20 kommende Strahlung erfasst wird. Bei dem gezeigten Werkzeug ist in der Kranzwand 22 eine Gammastrahlungsquelle 201 angebracht, die die Erdformation 16 bestrahlt und an einer Quellenhalterung 200 befestigt ist. Obwohl dies die bevorzugte Art und Weise ist, befinden sich weitere Orte für die Quelle 201 in dem Werkzeugkörper 21 oder in dem Stabilisator 24. Die Quelle 201 ist vorzugsweise Cäsium-137 (137Cs), das eine Gammastrahlung mit einer Energie von 0,66 Millionen Elektronenvolt (MeV) emittiert. Alternativ kann Kobalt-60 (60Co), das eine Gammastrahlung mit 1,11 und 1,33 MeV emittiert, als Quellenmaterial verwendet werden. Das Werkzeug 20 beherbergt einen ersten oder "Kurzabstands"-Gammastrahlendetektor 211, der in einem ersten axialen Abstand von der Quelle 201 angeordnet ist, und einen zweiten "Langabstands"-Gammastrahlendetektor 212, der in einem zweiten axialen Abstand von der Quelle angeordnet ist, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist. Bei dem gezeigten Werkzeug sind die Detektoren in dem Werkzeugkörper 21 in Halterungen angebracht: 210 für den ersten Detektor und 220 für den zweiten Detektor. Obwohl dies die bevorzugte Art und Weise ist, befinden sich weitere Orte für die Detektoren 211, 221 in der Kranzwand 22 oder in dem Stabilisator 24. Die Detektoren sind vorzugsweise vom Szintillationstyp wie etwa Natriumiodid (NaI) oder Gadofiniumoxyorthosilikat (GSO), um den Detektorwirkungsgrad bei einer gegebenen Detektorgröße zu maximieren.
  • Das Einführen von Materialien hoher Dichte in den Kranz ist oft unerwünscht, da der Kranz die Spannungen trägt, die bei Bedingungen, unter denen protokolliert wird, inhärent sind. In 2a zeigt eine Seitenansicht des Werkzeugs eine Strahlungsabschirmung 30, die sich in dem Kranz 22 befindet, dessen Gestalt optimiert ist, um einen Abgang durch den Kranz zu verringern, ohne seine mechanische Festigkeit zu beeinflussen.
  • Die Bahnen der Gammastrahlen, die von der Quelle zu dem Detektor wandern, sind unterbrochenen Linien ähnlich, bei denen jede Unterbrechung einer Kollision mit einem Elektron innerhalb des umgebenden Materials entspricht. Gammastrahlen verlieren Energie durch die hier am stärksten zutreffende Reaktion: die Compton-Streuungsreaktion. Nach dem Durchmachen eines oder mehrerer Compton-Streuungsereignisse kehrt ein kleiner Anteil der Gammastrahlung verringerter Energie zu dem Werkzeug zurück und wird durch den Gammastrahlungsdetektor erfasst. Die Funktion der Strahlungsabschirmung 30 besteht darin, einen wesentlichen Anteil jener Gammastrahlen, die durch den Kranz oder/und den Stabilisator wandern und andernfalls, nachdem sie in dem Kranz oder/und dem Stabilisator gestreut worden sind, zu dem Detektor zurückgehen, durch photoelektrische Absorption oder durch Compton-Streuung und anschließende photoelektrische Absorption abzufangen und zu dämpfen.
  • 2b zeigt eine Seitenansicht des Werkzeugs mit einer Strahlungsabschirmung 31, die sich an der inneren Kranzoberfläche in dem Kollimationsfenster 212 des ersten Detektors 211 befindet. Die Funktion der Strahlungsabschirmung 31 besteht darin, Gammastrahlen, die den Kranz zu dem Erfassungsfenster durchqueren, abzufangen und zu dämpfen.
  • 2c zeigt eine Seitenansicht des Werkzeugs mit beiden Strahlungsabschirmungen 30 und 31.
  • Um den Betrag des Gammastrahlenabgangs, der durch die Strahlungsabschirmungen wirksam beseitigt wird, abzuschätzen, wird auf der Grundlage des Werkzeugplans der 2 ein Monte-Carlo-N-Teilchen-Modell aufgebaut. Es wird ein Kompromiss zwischen der wirksamen Abschirmung und der mechanischen Festigkeit des Werkzeugs gefunden. Das verwendete Quellenmodell ist eine monoenergetische Cäsium-137-Strahlung mit 0,662 Millionen Elektronenvolt (MeV). Es werden Impulshöhenspektren für Energien zwischen 0,1 und 0,5 MeV für den ersten NaI-Detektor für drei verschiedene Konfigurationen berechnet: (1) Werkzeug ohne zusätzliche Strahlungsabschirmung, (2) Werkzeug mit Strahlungsabschirmung 30 wie in 2a, (3) Werkzeug mit Strahlungsabschirmungen 30 und 31 wie in 2c.
  • Ein oder mehrere Teile aus einem Material hoher Dichte, d. h. einem Material mit hoher Atomzahl (über Z = 70) und hoher Dichte (über 15 g/cc) wie etwa Wolfram, Gold oder verarmtes Uran, werden an bestimmten Orten, wo ihr Abschirmungswirkungsgrad maximal und ihr Einfluss auf die mechanische Festigkeit minimal ist, in den Kranz eingeführt. Hoch-Z-Materialien sind wirksame Dämpfer von Gammastrahlung und erlauben die wirksame Abschirmung und Kollimation sowie eine optimale Anordnung der Quelle und der Detektoren in Bezug auf die Bohrlochumgebung.
  • Die Strahlungsabschirmung 30 von 2a wird in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Hohlraum in der äußeren Oberfläche des Kranzes platziert, in eine Gummihülle gewickelt und dann unter einer zwischen der Quelle und dem Detektor auf den Kranz geschraubten Abdeckplatte zusammengedrückt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein besserer Wirkungsgrad erhalten, wenn die Länge längs der Achse dieser Strahlungsabschirmung weniger als 80% des ersten axialen Abstandes zwischen der Quelle und dem Detektor beträgt und wenn die Dicke dieser Strahlungsabschirmung im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse weniger als 40% der Breite des Werkzeugs an der Position der Quelle beträgt. In einer zweiten Ausführungsform wird der beste Wirkungsgrad erhalten, wenn die Länge längs der Achse dieser Strahlungsabschirmung weniger als 60% des ersten axialen Abstandes zwischen der Quelle und dem Detektor beträgt und wenn die Dicke dieser Strahlungsabschirmung im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse weniger als 20% der Breite des Werkzeugs an der Position der Quelle beträgt. Die Strahlungsabschirmung ist in Umfangsrichtung um die äußere Kranzoberfläche angeordnet und bedeckt vorzugsweise weniger als 180° dieser Oberfläche. Der Wirkungsgrad der Strahlungsabschirmung 30 wird dadurch maximiert, dass ihr Rand näher zu jenem des Kollimationsfensters des ersten Detektors gebracht wird. Der Wirkungsgrad erhöht sich ebenfalls, wenn die Dicke der Strahlungsabschirmung vergrößert oder eine Erweiterung in Richtung der Quelle vorgenommen wird, jedoch auf Kosten einer geringeren mechanischen Festigkeit. Als Beispiel einer Optimierung beträgt für einen kreisförmigen Abschnitt eines Wolframfleckens die Länge längs der Achse 58 mm, während der erste axiale Abstand 170 mm beträgt und die Dicke 7 mm beträgt, wobei der Innenradius des kreisförmigen Teils 78 mm beträgt und der Öffnungswinkel 90° beträgt.
  • Die Strahlungsabschirmung 30 von 2a kann einer weiteren Strahlungsabschirmung 31 von 2b zugeordnet sein, die sich an der Basis und sehr nahe bei dem Kollimationsfenster des ersten Detektors befindet, wobei diese Strahlungsabschirmung 31 eine Ringform besitzt, die dieses Kollimationsfenster umgibt, und einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. In 2c sind beide Strahlungsabschirmungen in dieser Ausführungsform gezeigt. Der Wirkungsgrad wird durch eine spezifische Winkelöffnung des trapezförmigen Querschnitts, die genau der Abmessung der ringförmigen Abschirmung entspricht, maximiert. Nichtsdestoweniger sind diese Abmessungen der ringförmigen Abschirmung durch die Forderungen nach mechanischer Festigkeit diktiert. Daher wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein besserer Wirkungsgrad für die Strahlungsabschirmung 31 erzielt, wenn sich diese Strahlungsabschirmung zwischen dem ersten Detektor und der äußeren Stabilisatoroberfläche, die zum ersten Detektor weist, befindet und wenn diese Strahlungsabschirmung eine Ringform mit einer Länge längs der Achse oder einem Durchmesser, die bzw. der weniger als 40% des Abstandes zwischen der Quelle und dem ersten Detektor beträgt, besitzt. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der beste Wirkungsgrad für die Strahlungsabschirmung 31 erzielt, wenn diese Strahlungsabschirmung eine Ringform mit einer Länge längs der Achse oder einem Durchmesser, die bzw. der weniger als 20% des Abstandes zwischen der Quelle und dem ersten Detektor beträgt, besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt diese Strahlungsabschirmung eine Dicke im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse, die weniger als 40% der Breite des Werkzeugs für das Protokollieren während des Bohrens an der Position der Strahlung emittierenden Quelle beträgt. In einer zweiten Ausführungsform besitzt diese Strahlungsabschirmung eine Dicke im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse, die weniger als 20% der Breite des Werkzeugs für das Protokollieren während des Bohrens an der Position der Strahlung emittierenden Quelle beträgt.
  • 3 zeigt die Impulshöhenspektren, die durch numerisches Modellieren des Werkzeugs mit optimierten Strahlungsabschirmungen 30 und 31 für die drei bereits oben beschriebenen Konfigurationen erhalten werden. Um den Betrag der durch das Werkzeug zu den Detektoren hindurchgehenden Gammastrahlung zu bestimmen, ohne mit den Materialien in dem Bohrloch oder der Formation in Wechselwirkung zu treten, wird die Erdformation Wolfram (17,4 g/cm3) ähnlich als sehr dicht angenommen, so dass praktisch keine Gammastrahlen aus der Formation zurückkehren und das Signal vollständig durch Gammastrahlen, die durch den Kranz und den Stabilisator wandern, bedingt ist. Aus jenen Daten wird für einen Energiebereich zwischen 0,15 und 0,25 MeV, der der für Dichtemessungen zum Protokollieren während des Bohrens mit einer Cäsium-137-Gammastrahlenquelle verwendeten Energie entspricht, der Prozentsatz von aus dem Signal beseitigtem Gammastrahlenabgang geschätzt. Bei einem Stabilisatordurchmesser von 8¼ Zoll beträgt der Prozentsatz von beseitigtem Gammastrahlenabgang durch die Strahlungsabschirmung allein 45% und durch beide Strahlungsabschirmungen 30 und 31 54%; bei einem Stabilisatordurchmesser von 93/8 Zoll beträgt dieser Prozentsatz 43% bzw. 51%.
  • In einem zweiten Modell wird angenommen, dass die Erdformation aus einer Aluminiumlegierung (2,805 g/cm3) zusammengesetzt ist, so dass in diesem Modell Gammastrahlen auch von der Formation zurückkehren. Der Prozentsatz von durch die Strahlungsabschirmungen aus dem Signal beseitigtem Gammastrahlenabgang wird in diesem Modell gleichfalls geschätzt, wobei die Ergebnisse jenen, die mit dem ersten Modell erhalten werden, vergleichbar sind. Bei einem Stabilisatordurchmesser von 8¼ Zoll beträgt der Prozentsatz von beseitigtem Gammastrahlenabgang durch die Strahlungsabschirmung 30 allein 43% und durch beide Strahlungsabschirmungen 30 und 31 57%; bei einem Stabilisatordurchmesser von 93/8 Zoll beträgt dieser Prozentsatz 38% bzw. 46%.
  • Die Strahlungsabschirmung 30 beseitigt nahezu 50% des Gammastrahlenabgangs, wobei die Strahlungsabschirmung 31 zusätzliche 10% an Gammastrahlenabgang beseitigt. Diese Strahlungsabschirmungen 30 und 31, wenn sie angebracht sind, bieten daher verschiedene mechanische, funktionale und technische Vorteile.
  • Es sind Strahlungsabschirmungen zwischen dem ersten und dem zweiten Detektor oder in dem Kollimationsfenster des Langabstandsdetektors möglich; jedoch ist dieser zweite Detektor weniger empfindlich für einen Gammastrahlenabgang, wobei die Verringerung des Abgangs weniger stark ist.
  • In einer zweiten Ausführungsform ist das Werkzeug 20 ein Dichtewerkzeug für das Protokollieren während des Bohrens mit einer elektronischen Strahlungsquelle. Die Quelle 201 ist ein Röntgenstrahlengenerator. Die Abschirmungsmaterialien müssen in die Baumaterialien des Werkzeugkörpers, des Kranzes oder des Stabilisators eingeführt werden, mit der Absicht, die Abschirmung mit einer minimalen Auswirkung auf die konstruktive Festigkeit des Werkzeugs zu optimieren. Die Abschirmungsmaterialien für Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen niedriger Energie könnten leichtere Materialien sein.
  • In einer dritten Ausführungsform ist das Werkzeug 20 ein Neutronenstreuungswerkzeug für das Protokollieren während des Bohrens mit einer chemischen oder elektronischen Neutronenquelle. Die Quelle 201 ist eine chemische Quelle wie etwa eine Radium-Beryllium-Quelle oder eine elektronische Quelle wie etwa ein gepulster Neutronengenerator. Die Abschirmungsmaterialien müssen in die Baumaterialien des Werkzeugkörpers, des Kranzes oder des Stabilisators eingeführt werden, mit der Absicht, die Abschirmung mit einer minimalen Auswirkung auf die konstruktive Festigkeit des Werkzeugs zu optimieren. Die Abschirmungsmaterialien für Neutronen sind typischerweise wasserstoffhaltige Materialien und/oder neutronenabsorbierenden Materialien wie etwa Bor oder Cadmium bei langsamen Neutronen und sind typischerweise Materialien mit hoher Atomzahl wie etwa Wolfram und/oder wasserstoffhaltige Materialien bei schnellen Neutronen.

Claims (11)

  1. Protokollierungswerkzeug (20) für unterirdische Formationen, die ein Bohrloch (14) umgeben, das umfasst: • einen längs einer Hauptachse langgestreckten Körper (21); • einen Kranz (22), der in Umfangsrichtung um den Körper (21) angeordnet ist und eine durch eine innere und eine äußere Oberfläche definierte Kranzwand aufweist; • eine Strahlung emittierende Quelle (201), die so beschaffen ist, dass sie die das Bohrloch umgebende Erdformation (16) bestrahlt; • wenigstens einen Strahlungsdetektor (211), der so beschaffen ist, dass er Strahlung, die von der Erdformation infolge ihrer Bestrahlung durch die Quelle (201) reflektiert wird, erfasst; • wenigstens ein Quellenkollimationsfenster (202) und ein Detektorkollimationsfenster (212), durch die die Erdformation bestrahlt bzw. die Strahlung erfasst wird; und • wenigstens eine Strahlungsabschirmung, die sich zwischen der inneren Kranzoberfläche und der äußeren Oberfläche des Werkzeugs befindet, wobei die Strahlungsabschirmung so positioniert ist, dass sie parasitäre Strahlung, die nicht durch den äußeren Kranz verlaufen ist, beseitigt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Strahlungsabschirmung (30) zwischen der Strahlung emittierenden Quelle (201) und dem Strahlungsdetektor (211) befindet, wobei die Strahlungsabschirmung längs der Achse eine Länge besitzt, die weniger als 80% des Abstandes zwischen der Strahlung emittierenden Quelle (201) und dem Strahlungsdetektor (211) beträgt.
  2. Werkzeug nach Anspruch 1, das ferner einen Stabilisator (24) umfasst, der sich am Umfang um die äußere Kranzoberfläche befindet, wobei der Stabilisator eine Stabilisatorwand, die durch eine innere Stabilisatoroberfläche und eine äußere Stabilisatoroberfläche definiert ist, umfasst und wobei sich die Strahlungsabschirmung zwischen der inneren Kranzoberfläche und der äußeren Stabilisatoroberfläche befindet.
  3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine weitere Strahlungsabschirmung (31) eine ringförmige Gestalt besitzt und das Detektorkollimationsfenster (212) umgibt und vorzugsweise längs der Achse eine Länge besitzt, die weniger als 40% des Abstandes zwischen der Quelle und dem Detektor beträgt.
  4. Werkzeug nach Anspruch 3, bei dem die Strahlungsabschirmung eine Dicke im Querschnitt senkrecht zu der Hauptachse besitzt, die weniger als 40% der Breite des Protokollierungswerkzeugs an der Position der Strahlung emittierenden Quelle (201) beträgt.
  5. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlung emittierende Quelle aus der folgenden Liste ausgewählt ist: chemische radioaktive Quelle, elektronische Strahlungsquelle, die Röntgenstrahlen emittiert, chemische Neutronenquelle oder elektronische Neutronenquelle.
  6. Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das Protokollierungswerkzeug (20) ein Gammastrahlen-Streudichte-Messwerkzeug ist, wobei: • die Strahlung emittierende Quelle (201) eine Gammastrahlenquelle oder eine Röntgenstrahlenquelle ist; • ein erster Strahlungsdetektor (211) ein Gammastrahlendetektor in kurzem Abstand ist, der axial um eine erste Strecke von der Strahlung emittierenden Quelle beabstandet ist; und • ein zweiter Strahlungsdetektor (221) ein Gammastrahlendetektor in großem Abstand ist, der axial um eine zweite Strecke, die größer als die erste Strecke ist, von der Strahlung emittierenden Quelle beabstandet ist.
  7. Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das Protokollierungswerkzeug (20) ein Neutronenstreuporositäts-Messwerkzeug ist, wobei: • die Strahlung emittierende Quelle eine Neutronenquelle ist; • der Strahlungsdetektor ein Neutronendetektor ist, der von der Neutronenquelle um eine erste Strecke axial beabstandet ist.
  8. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlungsabschirmung aus einem Material mit hoher Atomzahl hergestellt ist.
  9. Werkzeug nach Anspruch 7, bei dem das Material mit hoher Atomzahl Wolfram, verarmtes Uran, Gold oder eine Legierung hiervon umfasst.
  10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Strahlungsabschirmung aus Komponenten hergestellt ist, die aus der Liste ausgewählt sind, die besteht aus: wasserstoffhaltigem Material, Neutronen absorbierenden Materialien, Bor und Cadmium.
  11. Verfahren zum Protokollieren eines Bohrlochs unter Verwendung des Werkzeugs (20) nach Anspruch 1.
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