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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Protokollierwerkzeug wie in
Anspruch 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart außerdem ein Verfahren zum Protokollieren
eines Bohrlochs unter Verwendung eines Werkzeugs, wie es oben erwähnt worden
ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungn
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
verständlich:
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1 zeigt
ein Werkzeug zum Protokollieren während des Bohrens gemäß der Erfindung.
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2a ist
eine Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs von 1,
wobei sich die Strahlungsabschirmung zwischen einer Quelle und einem
ersten Detektor befindet.
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2b ist
eine Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs von 1,
wobei sich die Strahlungsabschirmung nahe bei dem ersten Detektor
befindet.
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2c ist
eine Seitenansicht auf die Hauptachse des Werkzeugs von 1 mit
beiden Strahlungsabschirmungen.
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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.
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Genaue Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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2c zeigt
eine Seitenansicht des Werkzeugs mit beiden Strahlungsabschirmungen 30 und 31.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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.