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Diese Erfindung befaßt sich grundsätzlich mit einem Gerät zum
Messen des Wassergehalts durch Thermalisierung mit Neutronen. Es ist
besonders geeignet zum Messen des Wassergehalts in einem
Zementschlamm, der in einem Öl- oder Gasbohrloch Verwendung findet.
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In der Öl- und Gasindustrie ist es häufig erforderlich, die
Wasserkonzentration einer durch Rohre gepumpten Flüssigkeit zu kennen.
Das trifft besonders auf Zementschlamm zu, der dem Einzementieren einer
Verrohrung oder eines Futters am Einsatzort sowie als Spaltungsflüssigkeit
dient, die zum Spalten einer Formation in ein Bohrloch gepumpt wird. Bisher
wird der Wassergehalt von Zementschlämmen und Spaltflüssigkeiten durch
Messung der Dichte festgestellt.
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Die Messung des Wassergehalts basierend auf Dichte vermittelt
jedoch nicht unbedingt akkurate Angaben des tatsächlichen Wassergehalts
in leichten Flüssigkeiten oder solchen, die Luft mitführen. In Flüssigkeiten
solcher Art kann sich eine geringfügige Änderung der Dichte auf einem
nennenswerten Unterschied des Wassergehalts beruhen. Um die
nennenswerte Änderung des Wassergehalts zu messen, müßte die
geringfügigste Änderung der Dichte akkurat gemessen werden. Das läßt sich
in der Praxis mit den herkömmlich verfügbaren Dichtemeßgeräten, wie sie in
der Öl- und Gasindustrie verwendet werden, nur schwer realisieren.
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Anstelle sich auf Messungen der Dichte zu verlassen, die u.U. nicht
die zum akkuraten Feststellen des Wassergehalts erforderliche Präzision
aufweisen, wäre es wünschenswert, den Wassergehalt direkt messen zu
können. In einem System, wo Wasser die einzige Quelle von Wasserstoff
ist, läßt sich der Wassergehalt durch Erkennen der Dämpfung von
Neutronen feststellen, die über eine kurze Strecke Material ausgestrahlt
werden, da die Dämpfung im Verhältnis zur Anzahl der Wasserstoffatome im
Material steht. Die Neutronendämpfungsmethode hat jedoch die folgenden
Mängel hinsichtlich der Messung des Wassergehalts eines Zementschlamms
oder einer Spaltflüssigkeit, die in einem Öl- oder Gasbohrloch zu verwenden
sind: Geringe Reaktionsfähigkeit (d.h. eine niedrige Impulsrate pro
Neutroneneinheit, die pro Sekunde ausgestrahlt wird) sowie Störungen durch
andere Elemente im Schlamm oder in der Flüssigkeit.
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Insbesondere für Material mit relativ niedrigem Wassergehalt wurden
Mikrowellensysteme zum direkten Messen des Wassergehalts verwendet.
Diese Vorgangsweise kann dort eingesetzt werden, wo der ionische Gehalt
des Wassers relativ gleichbleibend ist und die elektrische Leitfähigkeit der
Festkörper im Material niedrig ausfällt.
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Jetzt haben wir eine verbesserte Vorgangsweise zum Messen des
Wassergehalts einer Substanz entwickelt, wie z.B. für Zementschlamm oder
Spaltflüssigkeit zur Verwendung in Öl- oder Gasbohrlöchern. Laut dieser
Erfindung wird der Wassergehalt einer Flüssigkeit durch Erkennen der
thermischen Neutronen gemessen, die von Wasserstoffatomen, die im
Wasserbestandteil der geprüften Flüssigkeit enthalten sind, zurückgestreut
werden.
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Diese Erfindung sieht ein Gerät zum Messen des Wassergehalts
eines Zementschlamms vor, bestehend aus einem Strahlenschutz, in dessen
Innenraum sich ein erster Hohlraum, im Abstand davon zweite und dritte
Hohlräume befinden, die sich mit erstem Hohlraum überschneiden sowie
einem vierten Hohlraum, der sich zwischen besagtem zweiten und dritten
Hohlraum mit besagtem ersten Hohlraum überschneidet; einem Futter mit
ausgeprägten thermischen Neutroneneinfangmerkmalen, angeordnet um die
Außenseite besagter erster, zweiter und dritter Hohlräume und über
besagtem vierten Hohlraum, wo sich besagter vierter Hohlraum mit
besagtem ersten Hohlraum überschneidet. Die Öffnungen, wo sich besagter
erster Hohlraum mit besagten zweiten und dritten Hohlräumen
überschneidet, werden nicht vollständig vom Futter ausgefüllt, so daß
besagte zweite und dritte Hohlräume in Verbindung mit besagtem ersten
Hohlraum bleiben; einem Rohr in besagtem ausgekleideten Hohlraum zur
Aufnahme eines Zementschlammstroms; einem ersten thermischen
Neutronendetektor, ausgeführt in besagtem ausgekleideten zweiten
Hohlraum zum Vermitteln eines Signals als Reaktion auf erkannte
thermische Neutronen; einem zweiten thermischen Neutronendetektor,
ausgeführt in besagtem ausgekleideten dritten Hohlraum zum Vermitteln
eines Signals als Reaktion auf erkannte thermische Neutronen und einer
Quelle schneller Neutronen im besagten Hohlraum zum Ausstrahlen
schneller Neutronen durch besagtes Futter und besagtes Rohr in den
Zementschlamm im besagten Rohr, so daß mindestens einige der schnellen
Neutronen auf Wasserstoff im Zementschlamm im besagten Rohr einwirken
können, wo sie thermalisiert und zur Erkennung durch die ersten und
zweiten Detektoren zurückgestreut werden.
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Diese Erfindung umfaßt gleichfalls eine Vorgangsweise zum Messen
des Wassergehalts einer hier beschriebenen Substanz.
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Diese Erfindung mißt den Wassergehalt direkt und wird nicht
nennenswert von anderen Substanzen in der Flüssigkeit beeinflußt. So ergibt
sich eine bessere Messung des Wassergehalts, als durch Messen der
Dichte und nachträgliches Berechnen des Wassergehalts.
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Diese Erfindung ist nichteingreifend. Ein Gefäß, wie z.B. ein Rohr,
wird zum Halten oder Fördern einer Probe der Flüssigkeit durch das Gerät
dieser Erfindung verwendet. Alle anderen Bauteile des Geräts dieser
Erfindung sind außerhalb dieses Gefäßes angeordnet.
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Diese Erfindung kann zum Vermitteln von Realzeitangaben des
Wassergehalts verwendet werden. Sie läßt sich in automatisch geregelten
Mischoder Pumpeinrichtung verwenden, mit denen die geprüfte Flüssigkeit
entweder hergestellt oder gefördert wird.
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Diese Erfindung ist, im Vergleich zu den Ergebnissen, die mit Hilfe
der Messung der Dichte erzielt werden, relativ unempfindlich gegen in der
Flüssigkeit mitgeführte Luft.
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Diese Erfindung erfordert keine weitere Probenahme oder Flüssigkeitsanalyse.
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Diese Erfindung vermittelt gleichfalls eine Vorgangsweise zum
Messen des Wassergehalts in einer Substanz, bestehend aus: Einführen
einer Probe der Substanz, die als einziges hydrogenes Bestandteil Wasser
enthält, in ein nicht hydrogenes Rohr; Ausstrahlen in die Probe schneller
Neutronen aus einer Neutronenquelle, incl. einem radioaktiven Material,
ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Americium-Beryllium und
Californium, so daß schnelle Neutronen als Reaktion auf die Menge des
Wasserstoffes in der Probe thermalisiert werden; Erkennen von
thermalisierten Neutronen, die vom Wasserstoff in der Probe zurückgestreut
werden, mit Hilfe eines neben dem Rohr in einem Winkel zur
Neutronenquelle im Bereich von 20 bis 60 Grad angeordneten Detektors und
Erzeugen als Reaktion der Messung eines Signals, das im Verhältnis zur
Wasserstoffmenge und somit dem Wasser in der Probe steht; Verhindern
des Erkennens thermalisierter Neutronen außerhalb der Flüssigkeitsprobe
während des Erkennungsprozesses, incl. Absorption thermischer Neutronen
außerhalb der Probe in einem Futter, das um das Rohr und den Detektor
angeordnet ist, wobei das Futter ein leistungsstarkes thermisches
Neutroneneinfangelement enthält, das aus einer Gruppe bestehend aus Bor
und Cadmium ausgewählt wird; plus einer Abschirmung der Futterumgebung
durch einen Körper incl. Polybor, wobei der Körper die Neutronenquelle, den
Detektor und das Futter umgibt und um das Rohr verläuft.
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Um ein besseres Verständnis dieser Erfindung herbeizuführen,
werden beispielhaft Ausführungen davon beschrieben, wobei auf die
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
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Figur 1 ein Blockbild eines Systems, mit dem diese Erfindung
verwendet werden kann.
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Figur 2 ein Schema und ein Blockbild zum Veranschaulichen von
Gerät und Vorgangsweise dieser Erfindung.
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Figur 3 ein Blockbild einer bevorzugten Ausführung des Geräts dieser
Erfindung.
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Figur 4 einen Außenaufriß einer speziellen Ausführung der
bevorzugten Form dieser Erfindung.
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Figur 5 einen Seitenaufriß der speziellen Ausführung entlang Linie
5-5 in Figur 4.
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Figur 6 eine Grafik, die das Verhältnis zwischen der Impulsrate
erkannter thermalisierter Neutronen und Wassergehalt einer spezifischen
Probe darstellt.
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Eine bevorzugte Ausführung dieser Erfindung ist besonders zum
Messen des Wassergehalts eines in ein Öl- oder Gasbohrloch gepumpten
Zementschlamms geeignet. Sie ist jedoch gleichfalls zum Messen anderer
Substanzen geeignet, wie beispielsweise Spaltflüssigkeit. Unter Bezugnahme
auf Figur 1 enthält ein Gefäß 2 einen Zementschlamm, dessen
Wassergehalt bekannt sein muß, um sicherzustellen, daß der Schlamm für
die spezielle Umgebung eines Bohrlochs 4 geeignet ist, in das der Schlamm
von einer Pumpe 6 gepumpt werden soll. Gefäß 2, das Bestandteil eines
Einblendoder Mischsystems ist, sowie Pumpe 6 sind herkömmlicher Art, die
Fachkundigen einschlägig bekannt ist. Um den Wassergehalt des Schlamms
festzustellen, wird das Gerät dieser Erfindung, in FIG. 1 als Wasser/Zement-
Quotientenmesser 8 gekennzeichnet, in eine herkömmliche Umlaufleitung 10
eingebaut, die mit Gefäß 2 verbunden ist.
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Bezugnehmend auf Fig. 2 und 3 erfolgt eine Übersicht über den
Wasser/Zement-Quotientenmesser 8, der das Gerät dieser Erfindung
darstellt. Dieses Gerät wird zur Realisierung der bevorzugten
Ausführungsweise dieser Erfindung verwendet.
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Eine an der Außenseite eines Gefäßes 14, wie z.B. einem Rohr 16,
befestigte Quelle schneller Neutronen 12 strahlt schnelle Neutronen 18 aus,
von denen mindestens einige in Gefäß 14 eindringen. Die Neutronen, die in
Gefäß 14 eindringen, wirken mit Wahrscheinlich auf die Atome der
Flüssigkeit ein, d.h. auf den Schlamm für die Umgebung in FIG. 1, der sich
in Gefäß 14 befindet. Weil ein schnelles Neutron den Großteil seiner Energie
verliert, wenn es mit einem Kern von ungefähr seiner eigenen Masse
reagiert, d.h. einem Proton, läßt es sich bei Anwesenheit eines hydrogenen
Stoffes, wie beispielsweise Wasser, ohne weiteres auf thermische Energien
abbauen. Im Vergleich sind die Energieverluste infolge einer Einwirkung auf
schwerere Elemente, wie sie in Zement und Sand in einem Zementschlamm
vorkommen, nur gering. Folglich werden durch diese anderen Bestandteile
nur wenige Neutronen thermalisiert.
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Thermalisierte Neutronen aus der Substanz in Gefäß 14 werden von
einem Sensor für thermische Neutronen 20 erkannt, der an der Außenseite
von Gefäß 14 befestigt ist. Der Sensor für thermische Neutronen 20 wird so
ausgewählt, daß seine Reaktion auf thermische Neutronen stark ausfällt,
während sie mit zunehmender Neutronenenergie schnell abfällt. So ergibt
sich eine selektive Erkennung von Neutronen, die vom Wasserstoff im
Wasser des geprüften Zementschlamms thermalisiert wurden und Abweisen
solcher, deren Energie nur durch schwerere Elemente abgebaut wurde.
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Die daraus resultierende Impulsrate der thermalisierten Neutronen,
die von Detektor 20 erkannt wird, ist eine Funktion des Wassergehalts der
Flüssigkeit in Gefäß 14, wenn Wasser das einzige hydrogene Bestandteil
von Flüssigkeit und Gefäß 14 ist. Die Impulsrate nimmt die Form eines
verschlüsselten Signals, das von Sensor 20 erzeugt wird. Dieses Signal geht
an ein Gerät zum automatischen Berechnen des Wassergehalts anhand
festgelegter Kalibrationsfaktoren. Solche Instrumente und
Kalibrationsfaktoren sind Fachkundigen einschlägig bekannt.
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Bezugnehmend auf FIG. 3 umfassen Gefäß 14 und der Sensor für
thermische Neutronen 20 in bevorzugter Form zwei Detektoren 20a, 20b, die
in einen thermischen Neutronenabsorbierer eingewickelt sind und
ausgeprägte thermische Neutroneneinfangmerkmale aufweisen. So wird
einer Störung der auf die Flüssigkeit in Gefäß 14 bezogenen Messung durch
Neutronen, die außerhalb von Gefäß 14 thermalisiert wurden, vorgebeugt. In
bevorzugter Ausführung umfaßt der Absorbierer ein Futter 22, ausgeführt in
einer biologischen Abschirmung 24, wodurch die Umgebung außerhalb von
Futter 22 durch Blockieren nach außen gestrahlter Neutronen geschützt
wird.
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Eine spezielle Ausführung des in FIG. 2 und 3 dargestellten Gerätes
erscheint in FIG. 4 und 5. Neben den in FIG. 2 und 3 dargestellten
Elementen umfaßt die spezielle Ausführung gleichfalls ein Schutzgehäuse
26. Gehäuse 26 umfaßt einen zylindrischen Stahlmantel 28 mit Flanschen
30, 32 an gegenüberliegenden Seiten. Die Innenseite von Mantel 28 ist ein
Hohlraum, ausgeführt zur Aufnahme der weiteren Bauteile des Gerätes.
Seine Enden sind dagegen durch Platten und Kränze 34, 36 verschlossen.
Rohr 16 verläuft durch den Mantel 28 und die Öffnungen in Platten und
Kränzen 34, 36. Die Innenseite von Mantel 28 ist zugänglich durch eine
abgedeckte, verschließbare Öffnung 38.
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Im Innenraum des Hohlraums von Gehäuse 26 befindet sich der
biologische Strahlenschutz 24. In der speziellen Ausführung von FIG. 4 und
5 besteht die Abschirmung 24 aus vier Materialblöcken 24a, 24b, 24c, 24d,
auf das hier als Polybor Bezug genommen wird (d.h. ein Polymer mit
Borbestandteil, wobei das Polymer die Geschwindigkeit der Neutronen
reduziert und das Bor in ausreichender Konzentration vorhanden ist, um die
verlangsamten Neutronen einzufangen). Ein spezifisches Polybor ist Serie
200 5% boriertes Polyethylen (Polyethylen mit 5% Bor) von Reactor
Experiments, Kalifornien. Diese Blöcke sind quadratisch im Format mit
gestutzten Ecken, siehe FIG. 5. Die Blöcke können jedoch allgemein andere
Formen nehmen sowie durch einen einzelnen Block oder andere
Konfigurationen ersetzt werden. Diese Blöcke werden durch Schrauben 40
und eine Halteplatte 42 miteinander verbunden, so daß sich in der speziellen
Ausführung ein starrer Körper mit maximalen lateralen Abmessungen von
ca. 35,6 cm (14") bildet. In den starren Schutzkörper werden vier Hohlräume
44, 46, 48, 50 auf Fachkundigen einschlägig bekannte Weise eingefräst.
Obwohl die spezielle Ausführung der bevorzugten Form der Abschirmung 24
Polybor als Neutronenblockierelement beinhaltet, läßt sich in Erwägung
ziehen, daß auch anderes Material, wie beispielsweise Paraffin, Wasser oder
Öl, verwendet werden kann.
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Die in Abschirmung 24 gebildeten Hohlräume 44, 46, 48 nehmen
zylindrische Formen an, die parallel und aneinanderstoßend ausfallen, d.h.
daß Hohlräume 46 und 48, obwohl im Abstand zueinander befindlich,
Hohlraum 44 überschneiden. An jeder Überschneidung befindet sich eine
Öffnung. Die Öffnung zwischen Hohlräumen 44, 46 ist in FIG. 5 mit Nummer
52 gekennzeichnet, während die Öffnung zwischen den Hohlräumen 44, 48
in FIG. mit Nummer 54 gekennzeichnet ist. Die Hohlräume 44, 46, 48 sind
radial von der Mittellinie der Abschirmung 24 in ausreichendem Abstand
angeordnet, um ein Plazieren der Quelle 12 schneller Neutronen in Nähe der
Mitte von Abschirmung 24 zu ermöglichen.
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Hohlraum 50 überschneidet Hohlraum 44 zwischen Hohlräumen 46,
48, ist jedoch vertikal zu Hohlraum 44 angeordnet. Der in FIG. 5 dargestellte
Hohlraum 50 besteht aus zylindrischen Gegenbohrungen, die mit einem
Stöpsel 56 aus Polybor ausgefüllt sind, nachdem das Gerät, wie nachfolgend
beschrieben, zusammengebaut worden ist. Das interne Ende von Hohlraum
50 wird von einem Teil des in FIG. 5 dargestellten Futters abgeschlossen.
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Das Futter 22 verläuft nicht nur dort über Hohlraum 50, wo sich dieser
mit Hohlraum 44 überschneidet, sonder gleichfalls um die Außenseiten der
Hohlräume 44, 46, 48. Die Öffnungen 52, 54, wo sich jeweils Hohlräume 44,
46 und 44, 48 überschneiden, sind breit genug, um nicht vollständig von
Futter 22 an den Überschnittlinien der jeweiligen Hohlräume ausgefüllt zu
werden. Das heißt, es bleiben Lücken bestehen, so daß die ausgekleideten
Hohlräume 46, 48 weiterhin in Verbindung mit dem ausgekleideten Hohlraum
44 stehen.
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In der speziellen Ausführung besteht das Futter 22 aus Flex/Boron
von Reactor Experiments. Hierbei handelt es sich um einen flexiblen Bogen
mit hoher Borkonzentration, der manuell in die Hohlräume 44, 46, 48 und
nach Ausfräsen in Abschirmung 24 über die Innenseite von Hohlraum 50
plaziert werden kann. Diese Ausführung von Futter 22 ist 3,2 mm (1/8") dick.
Unserer Erfahrung nach ist diese Dicke ausreichend, um Eindringen externer
thermischer Neutronen in die Hohlräume 44, 46, 48 zu blockieren. Für die
spezifische Anwendung der Messung des Wassergehalts in einem
Zementschlamm beschränkt sich Futter 22 auf ein Material mit
leistungsstarkem thermischen Neutroneneinfangelement, das aus einer
Gruppe von Bor und Cadmium ausgewählt wird.
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Nachdem die Abschirmung 24 konstruiert und Futter 22 plaziert
wurde, werden das Rohr 16, das in der speziellen Ausführung Gefäß 14
darstellt, die Quelle 12 und Sensor 20 installiert.
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Das Rohr 16 wird in den ausgekleideten Hohlraum 44 eingeführt. Das
Rohr 16 der speziellen Ausführung besteht aus einem geeigneten, nicht
hydrogenen Material, d.h. es besteht aus beliebigem angemessenem
Material mit der Fähigkeit, die zu prüfende Flüssigkeit zu halten oder
fördern. Das Material darf jedoch nicht hydrogen sein. Dieser Punkt ist
wichtig, um einer Thermalisierung von Neutronen durch irgendwelche Stoffe,
ausgenommen Wasserstoff in der Flüssigkeit, vorzubeugen.
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In der speziellen Ausführung hat Rohr 16 einen
Nenninnendurchmesser von 10,2 cm (4"), der unseren Feststellungen nach
eine spezifisch geeignete Größe zum Messen des Wassergehalts von
Zementschlamm darstellt, der in Öl- und Gasbohrlöchern verwendet wird.
Rohr 16 ist 63,5 cm (25") lang und hat Gewindeenden, die an der
Außenseite von Gehäuse 26 zum Anschluß an geeignete Anschlußstücke
der Umlaufleitung 10 (FIG. 1) verlaufen. Der Teil von Rohr 16 im Inneren
von Hohlraum 44 der Abschirmung 24 wird unmittelbar von Futter 22
umgeben, mit Ausnahme der Lücken an den Öffnungen 52, 54, wo die
Hohlräume 46, 48 Hohlraum 44 überschneiden. Das Futter 22 verläuft
jedoch um die Detektoren 20a, 20b, so daß dieser innere Teil von Rohr 16
um seine zylindrische Außenseite vollständig eingeschlossen ist. Das Futter
22 trennt Rohr 16 von der Quelle 12.
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Die Quelle 12 schneller Neutronen ist ein herkömmliches Gerät, das
Fachkundigen einschlägig bekannt ist. Für meine spezielle Ausführung, die
zum Messen des Wassergehalts eines Zementschlamms geeignet ist,
umfaßt die Quelle 12 jedoch ein radioaktives Material, ausgewählt aus einer
Gruppe von Americium-Beryllium und Californium. Eine besonders
geeignete Quelle beinhaltet ein 250 Millicurie Americium-Beryllium-Materlal
von Gammatron, Houston, Texas.
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Die Quelle 12 wird in den Hohlraum 50 eingeführt, bevor der
Hohlraum mit Stöpsel 56 verschlossen wird. Die Quelle 12 befindet sich am
internen Ende von Hohlraum 50 und wird vom Futter 22 verschlossen. So
strahlt die Quelle im Betrieb schnelle Neutronen durch Futter 22 und Rohr
16 in den Inhalt von Rohr 16, der aus Gefäß 2 in FIG. 1 angefördert wird.
Mindestens einige dieser schnellen Neutronen wirken auf den Wasserstoff
im Inhalt von Rohr 16 ein. Der Inhalt im Rohr wird gleichfalls Probe genannt
und kann im Laufe der Prüfung entweder im Rohr gehalten oder dadurch
gefördert werden, währenddessen der Wassergehalt gemessen wird. Die
schnellen Neutronen, die auf den Wasserstoff einwirken, werden
thermalisiert. Die thermalisierten Neutronen, die in den Bereich des
Detektors 20 zurückgestreut werden, werden erkannt, um den
Wasserstoffgehalt der Probe festzustellen. In Zementschlämmen, für die
diese Erfindung besonders (jedoch nicht ausschließlich) vorgesehen ist, ist
das einzige Wasserstoffbestandteil Wasser, weshalb der erkannte
Wasserstoffgehalt ein Maß des Wassergehalts der geprüften Substanz
darstellt.
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Der Sensor 20, der die thermalisierten, zurückgestreuten Neutronen
erkennt, umfaßt in der speziellen Ausführung dieser Erfindung zwei
Detektoren 20a, 20b. Detektor 20a wird in den ausgekleideten Hohlraum 46
eingeführt und Detektor 20b wird in den ausgekleideten Hohlraum 48
eingeführt. Die Detektoren 20a, 20b liegen neben Rohr 16, ohne dies jedoch
zu berühren.
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Jeder der Detektoren 20a, 20b kann generell einer beliebiger
geeigneter Art sein, wie sie Fachkundigen einschlägig bekannt sind. Für die
spezielle Ausführung zum Messen des Wassergehalts in einem
Zementschlamm ist jeder Detektor jedoch ein 2 x 6 Zoll Helium-3, 4 atü
thermischer Neutronendetektor von Texas Nuclear. Dieser Detektor erzeugt
ein verschlüsseltes Stromsignal zum Anzeigen der Impulsrate der erkannten
thermalisierten Neutronen.
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In der o.g. Bauweise dieser Erfindung gibt es gewisse Merkmale, die
kritisch für die einwandfreie Ausführung sind. Die Quelle 12 und die
Detektoren 20a, 20b müssen aufeinander abgestimmt sind. Ich konnte
feststellen, daß die o.g. spezifischen Ausführungen von Quelle 12 und
Detektoren 20a, 20b für die spezifische Verwendung meiner Erfindung beim
Messen des Wassergehalts mindestens in einem Zementschlamm der
Ölund Gasindustrie geeignet sind.
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Nicht nur müssen die Quelle 12 und die Detektoren 20a, 20b
aufeinander abgestimmt sein, sie müssen auch im Verhältnis zueinander
sowie zum Rohr 16 richtig ausgerichtet sein. Das wird in dieser Erfindung
durch angemessenes Abmessen der ausgekleideten Hohlräume 44, 46, 48,
50 sowie durch Absichern der Quelle 12 in Hohlraum 50 mit Stöpsel 56
realisiert. Diese Bauweise hält die Quelle 12 und die Detektoren 20a, 20b in
festem Abstand von der Mitte des Rohrs 16. Hierdurch werden gleichfalls die
Detektoren 20a, 20b in jeweils festem akutem Winkel 58a, 58b (FIG. 5),
gemessen von der Mitte des Rohrs 16, zur Quelle 12 gehalten. In der oben
beschriebenen speziellen Ausführung liegen die Winkel 58a, 58b im Bereich
von 20 bis 60 Grad. Vorzugsweise sollten die Winkel 58a, 58b so klein wie
möglich ausgeführt werden. Die Quelle 12 und Detektoren 20a, 20b sollten,
unter Voraussetzung der Trennung durch Futter 22, so nahe wie möglich an
Rohr 16 angeordnet sein. Ein weiteres kritisches Merkmal dieser Erfindung
ist Futter 22. Es muß verwendet werden und muß ausreichen, um
thermische Neutronen, die außerhalb der Probe erzeugt werden, daran zu
hindern, auf Detektoren 20a, 20b einzuwirken. Ich habe bestimmt, daß sich
das spezifische Futtermaterial 22 für die hier erwähnte Ausführung speziell
für Gerät und Methode zum Messen des Wassergehalts mindestens eines
Zementschlamms für ein Öl- oder Gasbohrloch eignet.
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Ein weiteres kritisches Merkmal ist die Abschirmung 24. Die
Abschirmung 24 vermittelt biologischen Schutz am Einsatzort des Geräts
und die spezifische Konstruktion von Abschirmung 24 beeinflußt die
Reaktion des Geräts. Das oben erläuterte Material von Abschirmung 24 ist
besonders für Gerät und Methode zum Messen des Wassergehalts
mindestens eines Zementschlamms für ein Öl- oder Gasbohrloch geeignet.
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Nach Zusammenbau des Geräts 8 wird es mittels geeigneter
Abschlußteile in eine Umlaufleitung 10 des in FIG. 1 dargestellten Systems
eingebaut. Der in FIG. 1 dargestellte Schlamm kann dann auf bekannte
Weise durch die Umlaufleitung 10 und somit durch Rohr 16 gefördert
werden. So gelangt eine Probe des hydrogenen Zementschlamms in Rohr
16. Die Zementschlämme, für die diese Erfindung insbesondere abgestimmt
ist, enthalten Wasser als einziges hydrogenes Bestandteil.
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Zum gegebenen Zeitpunkt wird Quelle 12 auf bekannte Weise erregt,
um schnelle Neutronen in die Probe so auszustrahlen, daß die schnellen
Neutronen als Reaktion auf die Wasserstoffmenge in der Probe thermalisiert
werden. Schnelle Neutronen, die nicht auf die Probe einwirken, gehen durch
die Probe und dringen in die Abschirmung 24 ein.
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Von der Probe zurückgestreute thermalisierte Neutronen werden von
den Detektoren 20a, 20b erkannt. Die Detektoren 20a, 20b erzeugen dann
ein verschlüsseltes Stromsignal zur Angabe der erkannten Impulsrate
thermalisierter Neutronen. Die angegeben Impulsrate ist ein Maß des
Wasserstoffes und somit des Wassergehalts der Probe. Das Signal kann auf
bekannte Weise zum Vermitteln eines Ausgangs benutzt werden, der den
Wassergehalt anzeigt. Eine Darstellung der Korrelation zwischen Impulsrate
thermischer Neutronen und des Wassergehalts geht aus FIG. 6 hervor. Die
Grafik in FIG. 6 wurde aus Daten erstellt, die mit einem Prototyp bezogen
wurden, der nicht unbedingt nützlich oder ideal zum Messen des
Wassergehalts eines Zementschlamms ist, der in einem Öl- oder
Gasbohrloch verwendet wird. Die dargestellte Korrelation ist jedoch
zutreffend. Der Prototyp beinhaltete einen einzelnen Helium-3 Detektor, der
im Abstand von 45 Grad einer 100 Millicurie Americium-Beryllium-Quelle
angeordnet wurde. Die Quelle selbst wurde neben einem 10,2 cm Rohr in
einer mit Cadmium ausgekleideten 10,2 cm Polyborabschirmung ausgeführt.
Das Erkennen außerhalb der Probe erzeugter thermalisierter Neutronen
durch die Detektoren 20a, 20b wird durch Futter 22 verhindert. Das Futter
22 absorbiert außerhalb von Futter 22 erzeugte thermalisierte Neutronen.
Abschirmung 24 schützt gegen das Ausstrahlen von schnellen und
thermalisierten Neutronen in die Umgebung außerhalb des Geräts.
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So ist diese Erfindung gut geeignet zum Ausführen der Zielsetzung
und Realisieren der Absichten und Vorteile, die oben erwähnt sind und die
dem Gerät eigen sind. Während eine bevorzugte Ausführung der Erfindung
im Zusammenhang mit der Eröffnung beschrieben wurde, können
Fachkundige Änderungen der Bauweise und Anordnung der Bauteile sowie
der Durchführung der verschiedenen Einsatzmaßnahmen vornehmen.