DE68904803T2

DE68904803T2 - Radioaktive bohrlochmessmethode.

Info

Publication number: DE68904803T2
Application number: DE8989304075T
Authority: DE
Inventors: Larry L Gadeken; Smith, Jr
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2009-04-25
Also published as: DE68904803D1; US4857729A; CA1312966C; EP0340956A1; EP0340956B1

Description

Diese Erfindung betrifft die radioaktive Bohrlochmessung.
Radioaktive Tracer sind in der Erdölindustrie zur Überwachung der Wirksamkeit von Bemühungen verwendet worden, Erdformationen zu frakturieren und Auskleidungen in einem Bohrloch vor Ort zu zementieren. Meistens wird ein einziger radioaktiver Tracer verwendet und seine Verteilung mit einem Zählgerät für die Gesamtgammastrahlung gemessen. Jedoch gibt es viele Fälle, zum Beispiel bei Frakturierarbeiten, die das Frakturieren von mehreren Zonen oder das Einbringen von Frakturierfluiden in verschiedenen Stufen umfassen, wo es wünschenswert ist, zwei oder mehr Tracer zu verwenden. Um mehr und bessere Überwachungsinformation zu erhalten, könnte ein unterschiedliches Isotop für jede Stufe der Tätigkeit, für jede Zone oder zum Markieren der verschiedenen festen und fluiden Komponenten des Frakturiermaterials verwendet werden.
Es war immer möglich, zwei oder mehr Tracer mit verschiedenen Halbwertszeiten zu verwenden und verschiedene Meßdurchgänge über einen Zeitraum von Tagen oder Wochen durchzuführen, so daß verschiedene Zerfallsraten an verschiedenen Stellen verwendet werden können um nachzuweisen, wo jeder Tracer abgelagert war, ein Beispiel dieser Technik ist beschrieben in US-A-4482806. Jedoch hat, wie in der Veröffentlichung SPWLA Twenty-Seventh Annual Logging Symposium, June 9-13, 1986, Houston TX (USA), S. 1-15, beschrieben ist, die Entwicklung der spektroskopischen Vorrichtungen für Gammastrahlen möglich gemacht, die gewünschte Information in einem einzigen Durchgang des Meßgeräts durch das Bohrloch dadurch zu erhalten, daß die spezifischen Gammastrahlungscharakteristika jedes unterschiedlichen Tracers beobachtet werden. Diese Geräte messen die Energien der Gammastrahlen, die von den in der Bohrung und den umgebenden Formationen eingebrachten radioaktiven Tracern emittiert werden, und ein Multitracervermessungsprotokoll wird durch Auftrennen der Spektraldaten der Gammastrahlung in Beiträge jedes einzelnen Isotops als eine Funktion der Tiefe erhalten.
Wenn Kombinationen radioaktiver Tracer bei einer Bohrungstätigkeit verwendet werden, muß bei der Auswahl der Tracer Sorgfalt walten, um die Auftrennung der aufgenommenen Spektren zum Feststellen der Energiebeiträge der einzelnen Tracer zu erleichtern.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur radioaktiven Bohrlochmessung zur Bestimmung der relativen Menge wenigstens eines Energieisotops in einem Bohrloch mit einer Stahlauskleidung relativ zu der Menge des Isotops außerhalb der Auskleidung bereitgestellt, und bei dem das Isotop ein Gammastrahlen relativ niedriger Energie emittierendes Isotop ist, das die flüssige Phase von Frakturiermaterial markiert, welche hydraulisch aus dem Bohrloch in die umgebenden Erdformationen eingegeben wurde und in das Bohrloch gewandert ist, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
(1) Erfassen der Intensität der Gammastrahlung des Tracers, der im Bohrloch und den umgebenden Erdformationen verteilt ist, durch einen Gammastrahlungsdetektor, der in dem Bohrloch in der Nähe des interessierenden Formationsintervalls angeordnet ist, und Aufnehmen von Daten, die für die Strahlungsintensität repräsentativ sind;
(2) Auftrennen der Intensitätsdaten der Gammastrahlen in ein beobachtetes Energiespektrum der erfaßten Gammastrahlen;
(3) Ermitteln der Zählraten von Gammastrahlung in einem Energiebereich, der der Gammastrahlung zugeordnet ist, die von dem Tracer relativ niedriger Energie emittiert wird, in wenigstens zwei Bereichen relativ niedriger Energie aus dem beobachteten Energiespektrum;
dadurch gekennzeichnet, daß ein erster der Bereiche niedriger Energie für die photoelektrische Dämpfung durch Eisen in der Bohrungsauskleidung hochempfindlich ist und ein zweiter Bereich höherer Energie hauptsächlich für Gammastrahlen aus der Comptonstreuung und viel weniger für die photoelektrische Absorption durch Eisen empfindlich ist, und wobei das Verfahren die weiteren Schritte enthält:
(4) Kombinieren der Zählraten zur Ermittlung eines beobachteten photoelektrischen Verhältnisses der Zählraten in dem zweiten Energiebereich zu den Zählraten in dem ersten Energiebereich;
(5) Ermitteln der Zählraten von Strahlung in allen Energiebereichen, die der von dem Tracer niedriger Energie emittierten Gammastrahlung zugeordnet sind, und Verarbeiten der Zählraten zur Ermittlung der gesamten Elementkonzentration des Tracers niedriger Ernergie im Bohrloch und den Formationen; und
(6) Bestimmen der Menge des Tracers niedriger Energie in dem Bohrloch im Verhältnis zu der Menge des Tracers niedriger Energie außerhalb der Auskleidung aus dem beobachteten photoelektrischen Verhältnis des Tracers niedriger Energie in Schritt (4), der beobachteten Gesamtkonzentration des Tracers niedriger Energie, die in Schritt (5) erhalten wurde, und der photoelektrischen Verhältnisse bei niedriger Energie, die für den Tracer im Bohrloch bzw. in der Formation bestimmt worden sind.
Demgemäß werden bei Bohrlocharbeiten, bei denen hydraulisches Frakturiermaterial aus einem Bohrloch mit Stahlauskleidung in die umgebenden Erdformationen eingegeben wird, ein oder mehrere Radioisotope, die Gammastrahlen relativ niedriger Energie emittieren, zum Markieren der flüssigen Phase des Frakturiermaterials und ein oder mehrere Radioisotope, die Gammastrahlen relativ hoher Energie emittieren, zum Markieren der festen Phase des Frakturiermaterials ausgewählt. Dann wird die relative Menge radioisotopen Materials niedriger Energie innerhalb des Bohrlochs im Verhältnis zu dessen Menge außerhalb der Auskleidung bestimmt. Dies wird gemacht, um Störeffekte der Bohrlochtracer bei der Bestimmung der Konzentrationen der Tracer hoher Energie in den Formationen zu minimieren. Das Vorgehen umfaßt das Erfassen der Intensität der Gammastrahlung der Tracer, die im Bohrloch und den umgebenden Erdformationen verteilt sind, durch einen Gammastrahlungsdetektor, der in dem Bohrloch in der Nähe der Einleitungszonen angeordnet ist, und das Aufnehmen von Daten, die für die Strahlungsintensität repräsentativ sind. Die erfaßten Daten der Gammastrahlungsintensität werden dann in ein beobachtetes Energiespektrum aufgetrennt, aus welchem Zählraten der Gammastrahlung des beobachteten Energiespektrums in einem Energiebereich erhalten werden, der der Gammastrahlung zugeordnet ist, die von dem Tracer relativ niedriger Energie in wenigstens zwei Energiebereichen relativ niedriger Energie emittiert wird. Von diesen ist ein erster hochempfindlich für photoelektrische Dämpfung durch Eisen in der Bohrlochauskleidung und ein zweiter ein höherer Energiebereich, der hauptsächlich für Gammastrahlung aus Comptonstreuung empfindlich ist und weniger emfindlich für photoelektrische Absorption durch Eisen ist.
Diese Zählraten werden dann zur Ermittlung eines beobachteten photoelektrischen Verhältnisses des Tracers niedriger Energie kombiniert. Zählraten der Strahlung werden dann in allen Energiebereichen, die der von dem Tracer niedriger Energie emittierten Gammastrahlung zugeordnet sind, erhalten, um die gesamte Elementkonzentration des Tracers niedriger Energie in dem Bohrloch und den Formationen zu erhalten. Das relative Signal des Tracer niedriger Energie in dem Bohrloch wird dann im Verhältnis zu dem Signal dieses Tracers niedriger Energie außerhalb der Auskleidung nach der Beziehung:
bestimmt, worin
Tr(Tot) das gesamte beobachtete Signal des Tracers niedriger Energie,
Tr(Bor) der im Bohrloch auftretende Teil des Spektralsignals des Tracers niedriger Energie,
Ph Tr(Obs) das beobachtete photoelektrische Verhältnis des Tracers niedriger Energie,
Ph Tr(Bor) das für den Tracer im Bohrloch bestimmte photoelektrische Verhältnis niedriger Energie, und
Ph Tr(For) das für den Tracer in der Formation bestimmte photoelektrische Verhältnis bei niedriger Energie ist, wodurch eine Abschätzung einer Fensterzählrate des Tracers niedriger Energie in dem Bohrloch auf der Grundlage des Wertes von Tr(Bor) vorgenommen werden kann, der nach dieser Beziehung bestimmt und von den gesamten beobachteten Fensterzählraten subtrahiert wird, wodurch das Konzentrat von Tracern in der Formation genauer bestimmt werden kann.
Es wird bemerkt, daß in unserer anhängigen Patentanmeldung, veröffentlicht unter EP-A-03211197, eine Meßtechnik offenbart wird, die eine ähnliche Vorrichtung einsetzt, bei welcher die gewünschten Daten zur Ermittlung eines Durchdringungsindex verwendet werden, der die mittleren radialen Entfernungen zwischen dem Tracer und dem Detektor im Bohrloch anzeigt.
Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, worin:
Figur 1 eine graphische Darstellung der Gammastrahlungsenergien und der relativen Intensitäten von vier repräsentativen radioaktiven Isotopen ist;
Figur 2 eine graphische Darstellung von überlagerten Formations- und Bohrlochspektren für Au-198 ist, die die relativen Effekte der photoelektrischen Absorption in dem Bohrlochfluid im Verhältnis zur Formation darstellt;
Figur 3 eine graphische Darstellung von Spektren niedriger Energie ist, die übereinandergelegt sind, um die minimalen spektralen Unterschiede zu zeigen, die durch die photoelektrische Absorption von im Zementringraum entstehenden Au-198-Gammastrahlen verusacht sind, im Verhältnis zu der Formation, die eine 5 1/2 Zoll (14.0 cm) Bohrlochauskleidung umgibt; und
Figur 4 eine schematische Zeichnung eines Bohrlochmeßsystems ist, das bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Bei Frakturierarbeiten wurde beobachtet, daß ein Teil der flüssigen Phase des Frakturiermaterials nach einer Frakturierung in das Bohrloch zurückkehrt. Wenn die flüssige Phase mit einem radioaktiven Tracer markiert worden ist, dann wird der radioaktive Tracer, mit dem sie markiert ist, auch im Bohrloch gefunden.
Nachstehend verzeichnet Tabelle 1 gesteinskundliche Fensterzählraten und Verhältnisse von verschiedenen radioaktiven Isotopen innerhalb dreier verschiedener Ringräume in Labortestformationen. In der Tabelle hat das Fenster LP einen Energiebereich von 22-83 KeV und das Fenster LM einen Energiebereich von 83-137 KeV. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Fenster" auf einen vorausgewählten Bereich von Gammastrahlungsenergien. Tabelle 1 Gesteinskundliche Fensterzählraten und Verhältnisse von verschiedenen radioaktiven Isotopen Fenster Formation (P Ringraum) Zement (1 Ringraum) Auskleidung (C Ringraum) Element
Es ist aus Tabelle 1 zu entnehmen, daß das Vorhandensein von Isotopen innerhalb der Auskleidung von den gleichen Isotopen (Sc, Ag) außerhalb der Auskleidung zuverlässig getrennt werden kann, wenn die photoelektrischen Signale von innerhalb der Auskleidung mit denen von außerhalb der Auskleidung verglichen werden. Für jedes der Isotope sind die Vergleichsverhältnisse der Zählraten in den gegebenen Fenstern, LM und LP, für Isotope innerhalb der Auskleidung alle geringer als 2,0, wohingegen die Verhältnisse der Zählraten in den gleichen Fenstern für Isotope außerhalb der Auskleidung alle größer als 2,0 sind.
Ferner treten in bezug auf die spektrale Charakteristik bei Radioisotopen niedriger Energie (Au-198, Ir-192 oder I-131) die Wirkungen von Streuverlusten (downscatter effects) signifikanter in Erscheinung als bei Strahlungen höherer Energie von Sc-46 oder Ag-110, bei denen die Streuverlustwirkungen (downscatter effects) weniger ausgeprägt sind. Dementsprechend ist es vorteilhaft, eines der Isotope niedriger Energie zum Markieren der Flüssigkeit zu verwenden, wodurch ihr Ort innerhalb oder außerhalb der Auskleidung oder beides ohne weiteres festgestellt werden kann.
Als eine weitere Hilfe beim Auftrennungsverfahren sollte bei der Auswahl einer Kombination von Radioisotopen darauf geachtet werden, Isotope zu wählen, bei denen die Gammastrahlungsenergielinien des einen Isotops gut von denen des anderen getrennt sind. Nachstehend führt Tabelle 2 die Gammastrahlungsenergien und Eigenschaften verschiedener, als Tracer verwendeter, radioaktiver Isotope auf, welche bei der Auswahl berücksichtigt werden sollten. In der Tabelle geben Intensitätswerte den Anteil von Kernzerfällen an, die zur Emission von Gammastrahlung führen. Die mit einem Sternchen markierten Energiewerte zeigen eine gewichtete Zusammenstzung aus mehrfachen Gammastrahlen an, die von NaI(Tl)-Detektoren nicht aufgelöst werden kann. Tabelle 2 Tracer Isotop Halbwertszeit Gammastrahlung Energie* Intensität Scandium-46 Eisen-59 Kobalt-60 Zink-65 Silber-110m Iod-131 Lanthan-140 Iridium-192 Gold-198
Fig. 1 zeigt die Lage von Energiespektrallinien für vier Isotope (Au, Ir, Sc) relativ zueinander und auch in bezug auf die Energiefenster, von denen eine Auswahl für die Überwachung getroffen werden muß.
Wenn ein Isotop niedriger Energie wie Au-198 im Bohrloch und/oder in der Formation vorhanden ist und andere Tracer nicht im Bohrloch vorhanden sind, ist die Auswahl von Fensterkombinationen, die Fenster niedriger Energie ausschließen, in denen die Comptonstreucharakteristik von Au vorkommt, nahezu vollständig unabhängig davon, wo sich das Au befindet, sei es in dem Bohrloch oder der Formation. Ferner wird jede Unsicherheit über die Form des Au-Spektrums nicht die berechneten Elementkonzentrationen beeinflussen, wie sie durch die Anwendung eines gewichteten Anpassungs-Algorithmus nach den kleinsten Fehlerquadraten bestimmt werden können, der zum Beispiel in U.S.A.-Patent Nr. 3,739,171 beschrieben ist. Dementsprechend werden, da die Isotope niedriger Energie die Isotope der Wahl zum Markieren der Flüssigkeit sind, die Radioisotope höherer Energie zum Markieren der Feststoffe der hydraulischen Frakturiermaterialien bevorzugt.
Ein zusätzlicher Grund für die Verwendung von Isotopen höherer Energie zum Markieren der Festphase der Frakturiermaterialien beruht auf der erhöhten Untersuchungtiefe gegenüber den Isotopen niedriger Energie, weil Gammastrahlen höherer Energie innerhalb der Formation tiefer eindringen. Da gewöhnlich die Entfernung von dem Bohrloch, bei der es möglich ist, die Verteilung radioaktiver Tracer in frakturierten Formationen zu bestimmen, wichtig ist, sollte der feste Teil mit einem Tracer hoher Energie und der flüssige Teil mit einem Tracer niedriger Energie markiert werden. Normalerweise neigen die festen Materialien dazu, als Stützmittel in den perforierten Zwischenräumen zu verbleiben, während die Flüssigkeit vorzugsweise im Bohrlochbereich außerhalb der Eingabezone nach oben und unten wandert.
Beim Verarbeiten von Energiespektrumdaten ist es wichtig, die Störeffekte der in dem Bohrlochfluid vorhandenen Tracer zu eliminieren. In dieser Hinsicht vereinfacht die Verwendung von Tracern niedriger Energie, mit denen die Flüssigkeit des hydraulischen Frakturiermaterials markiert ist, die Beseitigung des Beitrags der Bohrlochtracer zum Energiespektrum aus dem gesamten erfaßten Energiespektrum bedeutend.
Im ausgekleideten Zustand von Bohrlöchern ist die photoelektrische Absorption die bedeutemdste Art der Schwächung von Gammastrahlen mit Energien von weniger als etwa 100 KeV. Dieser Schwächungsprozeß wird besonders durch das Element mit der höchsten Ordnungszahl Z beherrscht, das sich zwischen der Quelle der Tracergammastrahlung und dem Detektor in dem Meßgerät befindet. Für Tracerarbeiten unter Verwendung eines Meßgerätes, bei dem der Strahlungsdetektor in einem Gerätegehäuse aus einem Material relativ niedriger Ordnungszahl untergebracht ist, hat das Eisen in der Bohrlochauskleidung bei weitem die höchste Ordnungszahl Z von allen signifikanten Bestandteilen im Bohrloch. Daher wird der Teil niedriger Energie eines beobachteten Tracerspektrums stark dadurch beeinflußt, ob die Tracergammastrahlen vor Erreichen des Detektors durch die Auskleidung hindurchgehen mußten oder nicht.
Die Spektren niedriger Energie (0-350 KeV) in Figur 2 stellen die Prinzipien dar, die der photoelektrischen Messung zugrunde liegen. Die in Figur 2 übereinander gelegten Spektren zeigen den Unterschied in der photoelektrischen Absorption von Au-198 Gammastrahlen, die in der Formation außerhalb der zementierten 5 1/2 Zoll (14.0 cm)-Auskleidung entstehen, im Verhältnis zu denen, die von innerhalb der Auskleidung kommen. Die dargestellten Spektern sind in drei Energiebereiche unterteilt. Der unterste Bereich P ist empfindlich für photoelektrische Absorptionsunterschiede, die durch die Auskleidung verursacht werden. Der mittlere Energiebereich M ist ein Bereich, in dem die photoelektrische Absorption und die Compton- Streuwirkungen (downscattering effects) nahezu von gleicher Bedeutung sind. Der obere Bereich C ist der, in dem Compton- Streuwirkungen (downscattering effects) signifikant und die photoelektrische Absorption vernachlässigbar ist. Ein Verhältnis Rp von Gammastrahlzählraten in Fenster M zu Fenster P ist photoelektrisch deutlich empfindlich für den Anteil an Tracer innerhalb der Auskleidung und wird doch nicht merklich durch Comptonstreuungseffekte beeinflußt.
Da ein Tracer in dem Bohrlochfluid nicht die eiserne Auskleidung in dem Bohrloch durchdringen müßte, um den Detekor zu erreichen, würden die beobachteten Zählraten nur minimale photoelektrische Absorptionseffekte im Verhältnis zu den Zählraten von einem Tracer außerhalb der Auskleidung zeigen. Dementsprechend wird, wenn zwei Bereiche niedriger Energie aus dem Tracerspektrum ausgewählt werden, - ein Bereich M, der empfindlicher für Comptonstreustrahlung ist, und ein Bereich P, ein Fenster niedriger Energie, welches hauptsächlich für photoelektrische Absorption in Eisen empfindlich ist, - das Verhältnis Rp der Zählrate in Fenster M zu der Zählrate in Fenster P ein empfindlicher Indikator dafür sein, ob eine Auskleidung zwischen der Quelle und dem Detektor vorliegt, und dementsprechend, ob der Tracer sich innerhalb oder außerhalb der Auskleidung befindet. Ein Verfahren, das das Verhältnis Rp zum Erhalt einer Anzeige verwendet, ob der Tracer nur im Bohrloch oder auch in der Formation vorliegt, ist in der anhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 89306050.9, veröffentlicht am 27.12.1989 als EP-A-0 348 098, des gleichen Anmelders beschrieben.
Durch das Verfahren nach dieser Erfindung werden photoelektrische Signale und photoelektrische Verhältnisse für die Bestimmung der relativen Menge eines Tracers niedriger Energie im Bohrloch zur Menge des Tracers niedriger Energie außerhalb der Auskleidung verwendet. Diese Information wird dann bei der Verarbeitung von Energiespektrumdaten verwendet, um den Beitrag des Bohrlochtracers und seiner Störeffekte aus dem gesamten erfaßten Energiespektrum zu entfernen.
Als ein Beispiel, bei dem Au-198 als ein Radioisotop niedriger Energie zum Markieren der flüssigen Phase von hydraulischen Frakturiermaterialien ausgewählt ist, kann die relative Menge von Au im Bohrloch zur Menge von Au außerhalb der Auskleidung aus einer Beziehung wie folgt bestimmt werden:
worin Au(Tot) die gesamte beobachtete Goldkonzentration und Au(Bor) der Teil ist, der im Bohrloch vorkommt. Die photoelektrischen Verhältnisse PhAu(Obs), PhAu(Bor) und PhAu(For) sind die photoelektrischen Verhältnisse niedriger Energie, die für den Tracer im Bohrloch bzw. den Tracer in der Formation beobachtet und bestimmt sind, wobei das photoelektrische Verhältnis das Vergleichsverhältnis der Zählraten in einem Fenster M zu den Zählraten in einem Fenster P ist (Figur 3).
Unter Verwendung der Tabelle 1 kann Gleichung (1) geschrieben werden:
Das Verhältnis Ph Au(Obs) kann aus den Zählraten der Gammastrahlung erhalten werden, wie sie durch den Detektor in dem Fenstern M und P beobachtet werden. Au(Tot) ist die gesamte beobachtete Goldkonzentration, wie sie unter Verwendung eines gewichteten Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt werden kann. Wenn alle Glieder auf der rechten Seite der Gleichung (2) bestimmt sind, kann dann der Wert von Au(Bor) bestimmt werden.
Die Fensterzählraten im Bohrloch können dann aus dem Wert von Au(Bor) bestimmt und von den gesamten beobachteten Fensterzählraten subtrahiert werden, so daß Elementkonzentrationen in der Formation genauer bestimmt werden können. Die auf Au(Bor) beruhende Korrektur könnte dynamisch als Funktion der Tiefe durchgeführt werden, oder es könnte ein konstanter Durchschnittswert verwendet werden.
Als eine weitere Verbesserung der Verarbeitung der Energiespektrumdaten könnte die oben beschriebene Technik in einem Abschnitt des Bohrlochs verwendet werden, der sich weit oberhalb der Perforationen befindet, für welche Au(Obs) = Au(Bor) ist. Dieser Wert würde dann von der gesamten Messung subtrahiert, bevor eine weitere Verarbeitung erfolgt.
Tabelle 1 ist auch zu entnehmen, daß Au, Ir und I alle ähnliche photoelektrische Verhältnisgrößen ebenso wie ähnliche Signale haben. Es ist daher möglich, daß eine Kombination dieser Isotope in dem Bohrloch dadurch aufgelöst werden könnte, daß die Technik des photoelektrischen Verhältnisses und das folgende Vorgehen verwendet werden:
1) Es würden Konzentrationen der in der Flüssigkeit enthaltenen Isotope bestimmt, und zwar unter Verwendung nur der Empfindlichkeiten in Gegenwart der Auskleidung mit einem gewichteten Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate, und
2) Fensterzählraten, die nur auf den Bohrlochbestandteilen beruhen, würden subtrahiert, bevor die Elementkonzentrationen, die zu der Formation gehören, aus dem übrigen Teil der Messung berechnet werden.
Ein Gammastrahlungsmeßsystem, das zur Ausführung der Erfindung verwendet werden kann und schematisch in Figur 4 dargestellt ist, enthält ein Meßgerät 30, das in einem Bohrloch 31 an einem Meßkabel 32 herabhängt, das an einer Rolle oder Seilscheibe 34 auf einem Meßwagen oder dergleichen gehalten wird. Das Bohrloch 31 durch Erdformationen 33 ist mit einer Stahlauskleidung 35 ausgekleidet, die mittels eines Zementringes am Ort gehalten ist. Die Auskleidung enthält ein Bohrlochfluid 36. In üblicher Weise bildet die Umdrehung der Rolle 34 eine Anzeige für die Tiefe des Geräts, während das Kabel 32 in das Bohrloch hinein oder aus diesem heraus bewegt wird. Das Gerät 30 ist mit einem Stahlgehäuse 37 mit einen Abschnitt 37a versehen, der den Strahlungsdetektor 38 umgibt. Der Abschnitt 37a ist aus einem Material mit niedriger Ordnungszahl Z und niedriger Dichte gebildet, um die Beobachtung und Messung der photoelektrischen Absorption von Gammastrahlung niedriger Energie zu erleichtern. Einfallende Gammastrahlen natürlicher Strahlung oder von Tracern werden in einem großen NaI(Tl)- Scintillationsdetektorkristall 38 erfaßt, dessen Scintillationen in einen Photomultipier 40 zur Erzeugung elektrischer Impulse eingekoppelt werden, deren Größe den Energien der einfallenden Gammastrahlen proportional ist.
Die Systemverstärkung wird mittels einer Koinzidenz-Stabilisationstechnik innerhalb von ± gehalten. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung in dichter Nähe zum Detektor 38 einen kleineren Kristall 42 mit einer eingebetteten ²&sup4;¹Am-Quelle. Eine solche Technik ist im U.S.A. Patent Nr. 4,585,939 offenbart. Wenn ²&sup4;¹Am zerfällt, werden ein 60 keV-Gammastrahl und ein Alphateilchen hoher Energie im wesentlichen gleichzeitig emittiert. Die Alphateilchen werden mit praktisch 100% Ausbeute in dem kleineren Detektor erfaßt, während die meisten 60 keV-Gammastrahlen entweichen, obwohl nahezu 20% dieser Gammastrahlen in dem großen NaI (Natriumiodid)-Detektor erfaßt werden. Weil die Gammastrahlen aus dem Stabilisator mit den Alphateilchen in Koinzidenz auftreten, können sie von allen anderen in dem grossen Kristall 38 erfaßten Gammastahlen mit mehr als 99% Ausbeute getrennt werden, wodurch das Koinzidenzspektrum nur die 60 keV-Gammastrahlen des Stabilisators enthält wird und von der Verteilung externer Gammastrahlen nicht beeinflußt wird. Natürlich könnten alternativ, falls gewünscht, andere Techniken zur Stabilisierung der Verstärkung, wie sie allgemein in der Technik verwendet werden, eingesetzt werden.
Nach der Verstärkung des Photomultipiers 40 werden Koinzidenz- und Anti-Koinzidenzdatenimpulse mittels eines Analog- Digital-Wandlers 44 digitalisiert, in einem Datenakkumulator 46 gesammelt und von einer Mikroprozessorsteuerung 48 sortiert, die die Übertragung der Daten von dem Gerät 30 zu der später zu beschreibenden Ausrüstung an der Oberfläche synchronisiert. Die Koinzidenz- (Stabilisator-) Ereignisse werden in ein 256-Kanal-Spektrum umgewandelt, das sich über den Energiebereich von 0-350 keV erstreckt, um zu ermöglichen, daß die Rückkopplungsschaltung für die automatische Verstärkungsstabilisierung im Bohrloch die Systemverstärkung auf etwa ± 0,5% hält. Ein Koinzidenzstabilisierungsimpuls wird über die Leitung 62 und ein Stabilisierungssignal über die Leitung 63 geleitet. Die Antikoinzidenz-(Formationsgammastrahlungs-) Ereignisse werden in zwei digitalisierte Spektren umgewandelt, von denen sich eines über den unteren Energiebereich von 0-350 keV erstreckt und über den Zweig 60 nach oben geleitet wird, und das andere über einen weiten Energiebereich von 0-3000 keV erstreckt und über den Zweig 62 nach oben geleitet wird. Die drei Spektren werden im Datenakkumulator 46 gesammelt und dann über Leitungskabel für nahezu jede 0,25 ft. (7,6 cm) während der Messung zu dem an der Oberfläche befindlichen Meßsystem übertragen. (Die kodierten Spektren werden über eine Leitung 65 zum Kabeltreiber 66 geleitet.) An der Erdoberfläche werden die Daten von einem Demodulator 50 demoduliert, um die Spektren vor der Aufnahme in einem Magnetbandaufnahmegerät 52 und einer Darstellung mit einer spektralen Anzeigevorrichtung 54 zu rekonstruieren. Die Formationsgammastrahlungsspektren hoher und niedriger Energie werden ebenfalls zu dem Rechner 56 übertragen (und können dargestellt oder im Aufnahmegerät 58 gespeichert werden). In Rechner 56 wird das Spektrum hoher Energie in Energiefenster oder -bereiche aufgetrennt, die von den jeweils verwendeten Tracern abhängen. Fenster hoher Energie werden ausgewählt, so daß sie die spezifischen Energiemaxima der Gammastrahlung zwischen 300 keV und 3 MeV enthalten, die für die jeweils verwendeten Tracer charakteristisch sind, während die Fenster niedriger Energie so ausgewählt werden, daß sie nicht spezifischen Energiemaxima der radioaktiven Tracer enthalten, sondern eher nur Streustrahlung im allgemeinen zwischen 150 und 700 keV. Für das Spektrum niedriger Energie werden die Fenster so ausgewählt, wie sie für die Bereitstellung der photoelektrischen Empfindlichkeitsverhältnisse notwendig sind.
Man sieht dann, daß hier ein Verfahren zur Verwendung radioaktiver Tracer für Bohrlochmeßarbeiten beschrieben wird, das eine signifikante Verbesserung der Qualität und Genauigkeit der Information zur Bestimmung der Konzentrationen von radioaktiven Tracern in einer ein Bohrloch umgebenden Erdformation gestattet. Die Isotopen niedriger Energie eignen sich besser zur photoelektrischen Unterscheidung im Bohrloch, besonders, wenn sie mit Tracern hoher Energie verglichen werden, und die Isotopen hoher Energie erzeugen eine tiefere radiale Untersuchungstiefe. Es liegt nahe, daß die Wahl der Gammastrahlung niedriger Energie emittierender Radioisotope zum Markieren der Flüssigphase von hydraulischem Frakturiermaterial anders als hier beschrieben getroffen werden kann, und es sind verschiedene Kombinationen möglich. Gleichermaßen sind SC-46, Ag-110 und andere Radioisotope geeignete Kandidaten für die Wahl von Radioisotopen hoher Energie.
Es ist ebenfalls verständlich, daß alternative Techniken bei der Durchführung der verschiedenen Verfahrensschritte der Erfindung angewendet werden können, wie dem Fachmann in der Technik klar ist.

Claims

1. Verfahren zur radioaktiven Bohrlochmessung zur Bestimmung der relativen Menge wenigstens eines Energieisotops in einem Bohrloch mit einer Stahlauskleidung relativ zu der Menge des Isotops außerhalb der Auskleidung, bei welchem Verfahren das Isotop Gammastrahlen relativ niedriger Energie emittiert, das die flüssige Phase von Frakturiermaterial markiert, welches hydraulisch aus dem Bohrloch in umgebende Erdformationen eingegeben wurde und in das Bohrloch gewandert ist, mit den folgenden Schritten:

(1) Erfassen der Intensität der Gammastrahlung des Tracers, der im Bohrloch und den umgebenden Erdformationen verteilt ist, durch einen Gammastrahlungsdetektor, der in dem Bohrloch in der Nähe des interessierenden Formationsintervalls angeordnet ist, und Aufnehmen von Daten, die für die Strahlungsintensität repräsentativ sind;

(2) Auftrennen der Intensitätsdaten der Gammastrahlen in ein beobachtetes Energiespektrum der erfaßten Gammastrahlen;

(3) Ermitteln der Zählraten von Gammastrahlung in einem Energiebereich, der der Gammastrahlung zugeordnet ist, die von dem Tracer relativ niedriger Energie emittiert wird, in wenigstens zwei Bereichen relativ niedriger Energie aus dem beboachteten Energiespektrum;

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster der Bereiche niedriger Energie für die photoelektrische Dämpfung durch Eisen in der Bohrungsauskleidung hochempfindlich ist und ein zweiter Bereich höherer Energie hauptsächlich für Gammastrahlen aus der Comptonstreuung und viel weniger für die photoelektrische Absorption durch Eisen empfindlich ist, und

gekennzeichnet durch die weiteren Schritte

(4) Kombinieren der Zählraten zur Ermittlung eines beobachteten photoelektrischen Verhältnisses der Zählraten in dem zweiten Energiebereich zu den Zählraten in dem ersten Energiebereich;

(5) Ermitteln der Zählraten von Strahlung in allen Energiebereichen, die der von dem Tracer niedriger Energie emittierten Gammastrahlung zugeordnet sind, und Verarbeiten der Zählraten zur Ermittlung der gesamten Elementkonzentration des Tracers niedriger Energie im Bohrloch und den Formationen; und

(6) Bestimmen der Menge des Tracers niedriger Energie im Bohrloch im Verhältnis zu der Menge des Tracers niedriger Energie außerhalb der Auskleidung aus dem beobachteten photoelektrischen Verhältnis des Tracers niedriger Energie in Schritt (4), der beobachteten Gesamtkonzentration des Tracers niedriger Energie, die in Schritt (5) erhalten wurde, und den photoelektrischen Verhältnissen bei niedriger Energie, die für den Tracer im Bohrloch bzw. in der Formation bestimmt worden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Tracers niedriger Energie im Bohrloch im Verhältnis zur Menge des Tracers niedriger Energie außerhalb der Auskleidung nach der Beziehung

bestimmt wird, worin

Tr(Tot) die gesamte beobachtete Konzentration des Tracers niedriger Energie ist,

Tr(Bor) der im Bohrloch auftretende Teil des Tracers niedriger Energie ist,

Ph Tr(Obs) das beobachtete photoelektrische Verhältnis des Tracers niedriger Energie ist,

Ph Tr(Bor) das für den Tracer im Bohrloch bestimmte photoelektrische Verhältnis bei der niedrigen Energie ist, und

Ph Tr(For) das für den Tracer in der Formation bestimmte photoelektrische Verhältnis bei der niedrigen Energie ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gammastrahlen niedriger Energie emittierende Isotop Au-198 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von Gammastrahlen relativ niedriger Energie emittierenden Radioisotopen verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gammastrahlen niedriger Energie emittierende Isotop Ir-192 aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gammastrahlen niedriger Energie emittierende Isotop I-131 aufweist.