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Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der von einem wass erstofilialtige
Flüssigkeit enthaltenden Bohrloch durCeuft-en Bodenscniccltten durch Neutronen Die
Erfindung betrifft »Neutronen-Neutronen-Untersuchungen« der von einem Bohrloch durchteuften
Bodenschichten, bei denen eine Neutronenquelle zusammen mit einem geeigneten Neutronendetektor,
der-in einem bestimmten Abstand von der Quelle gehalten wird, in ein Bohrloch hinabgelassen
wird. Die von der Quelle ausgesendeten Neutronen dringen in die umgebenden Bodenschichten
ein und werden dadurch in einer Weise beeinflußt, die von der anfänglichen Energie
der Neutronen und der Art der Bodenschichten abhängt. Die Feststellung der Neutronen
ergibt dabei einige Aufschlüsse über die Bodenschichten. Die Anfangsenergie der
Neutronen, der Abstand der Quelle von dem Detektor und die Energieempfindlichkeit
des letzteren bestimmen in großem Umfang die Art der erhaltenen Aufschlüsse.
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Es hat sich gezeigt, daß sehr nützliche Aufschlüsse aus den Streu-
und Verzögerungswirkungen der Schichten auf Neutronen mit einer gegebenen anfänglichen
hohen Energie erzielt werden können. Weitere Versuche zeigen, daß diese Ver-
langsamungs-
oder Bremswirkung am leichtesten beobachtet wird, wenn der Längsabstand zwischen
der Quelle und dem Detektor etwa Null ist.
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Da Neutronen keine elektrische Ladung tragen, geht der größte Teil
ihrer Energie beim Eindringen in die Erdschichten bei unmittelbarer elastischer
Kollision mit den Kernen der Atome, aus denen sich die Schichten zusammensetzen,
verloren. Wenn der Detektor daher nur Neutronen mit geringer Energie gegenüber empfindlich
ist, kann die Verlangsamungs- oder Bremswirkung der Schichten auf die Neutronen
mit anfänglich hoher Energie angezeigt werden. Die Zahl der Neutronen mit geringer
Energie, die in einem bestimmten Bereich vorhanden sind, hängt unter anderen Faktoren
von der Dichte, dem Streuungsquerschnitt der Bodenschichtkerne und den relativen
Massen von Neutronen und Kernen ab, mit denen sie zusammentreffen. Durchlässige,
poröse Schichten, die mit wasserstoffhaltigen Flüssigkeiten gesättigt sind, verlangsamen
beispielsweise Neutronen von einer bestimmten hohen Anfangsenergie weit stärker
als undurchlässige Formationen wie fester Kalkstein oder andere trockene Gesteine.
Diese größere Verzögerungswirkung wird durch das Vorhandensein von Wasserstoffkernen
in den wasserstoffhaltigen Flüssigkeiten hervorgerufen. Bei gleicher Anzahl von
Wasserstoffkernen und anderen schweren Kernen ist beispielsweise die Wahrscheinlichkeit
von Zusammenstößen zwischen den Neutronen und den schwereren Kernen geringer als
von Zusammenstößen zwischen Neutronen undWassefstoffkernen. Da die Masse der Wasserstoffkerne
viel geringer ist als diejenige anderer Kerne, tritt ein proportional größerer Geschwindigkeitsverlust
der Neutronen beim elastischen Auftreffen auf die Wasserstoffkerne ein als beim
Auftreffen auf schwerere Kerne.
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Es scheint, daß ein sehr guter Aufschluß über die Durchlässigkeit
von Bodenschichten erzielt werden würde, wenn die Neutronen mit geringer Energie,
d. h. langsame (thermische) und/oder weniger langsame (annähernd thermische) Neutronen,
die in einer Bodenschicht vorhanden sind, gezählt -würden, während die Schicht mit
Neutronen von verhältnismäßig hoher Energie bestrahlt wird.
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Eine praktische Anwendung dieser Prinzipien ist jedoch schwierig,
da Bohrschlamm Wasserstoffverbindungen enthält, die die hohe Energie der meisten
Neutronen absorbieren würden, die anfänglich von einer Quelle, die in dem Bohrloch
angeordnet ist, ausgesandt werden. Die meisten der Neutronen mit geringer Energie,
die in dem Bohrloch vorhanden sind, würden entweder dei Zustand epithermaler Energie
oder den thermaien Ausgleichszustand als Folge von Zusammenstößen mit den Wasserstoffkernen
in dem Schlamm erreichen und nicht mit den Wasserstoffkernen in den Bodenschichten.
Ein Detektor für Neutronen mit geringer Energie an der Neutronenquelle würde vornehmlich
Schlammwirkungen anzeigen, und alle Neutronen mit geringer Energie, die den größten
Teil oder ihre gesamte Energie oberhalb des thermalen Ausgleichs in den Schichten
verlieren, würden wirksam überdeckt werden. Diese Deckwirkung des Schlammes wird
störender, wenn der Längsabstand zwischen der Quelle und dem Detektor vermindert
wird, am stärksten, wenn dieser Abstand etwa bei Null liegt.
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Wie festgestellt, haben Versuche gezeigt, daß die besten Anzeigen
von Durchlässigkeit bei einer gegebenen Quellenstärke durch Zählen der Neutronen
von geringer Energie erzielt werden, wenn der Abstand von Quelle zu Detektor Null
ist. Darüber hinaus hat ein Nullabstand den weiteren Vorteil größter senkrechter
Trennung zwischen benachbarten Schichten von verschiedener Durchlässigkeit, wenn
die Untersuchungsvorrichtung durch diese Schichten hindurchgeht.
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Um die Schwierigkeit der Schlammbeeinflussung zu überwinden, wurde
bereits vorgeschlagen, die Quelle und den Detektor der Neutronen an die Wand des
Bohrloches zu drücken. Aber auch bei dieser Anordnung werden einige Unsicherheiten
durch solche Neutronen in das Ergebnis hineingebracht, die gar nicht in die Schichten
eingedrungen sind, sondern durch den Schlamm vor ihrer Ermittlung auf epithermale
oder thermal Energiehöhen verlangsamt wurden. Ferner kommen zu der Berechnung Neutronen
hinzu, die, obwohl sie sich einige Zeit in der Schicht aufhalten, den größten Teil
ihrer Verlangsamung beim Auftreffen auf die Schlammsäule erfahren. Die Neutronen,
die in dieser Kategorie ermittelt werden, treten gewöhnlich deutlicher hervor, je
größer der. Durchmesser des Bohrloches ist. Während es so möglich sein kann, Neutronen
von hoher Energie in die Bodenschichten zu bringen, ist eine genaue Ermittlung von
Neutronen mit geringer Energie, deren Energieverlust wohl besser der Durchlässigkeit
der Schicht beigemessen werden kann als dem Schlamm, bisher schwierig zu erhalten
gewesen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Neutronen
Neutronen-Verfathren und eineVorrichtung zum Untersuchen vonBohrlöchern, die Bohrspüiung
auf tEl- oder Wasserbasis enthalten, auch wird gemäß der Erfindung eine genauere
Anzeige der Durchlässigkeit von Bodenschichten erhalten, als es bisher mitNeutronenuntersuchungsverfahren
möglich war.
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Ferner wird durch die Erfindung die Hemmwirkung des Schlammes in
dem Bohrloch auf die die Aufschlüsse liefernden, aus den umgebenden Bohrschichten
zu dem Bohrloch zurückkehrenden Neutronen vermindert.
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Die von den Änderungen im Durchmesser des Bohrloches herrührende
Veränderung in dem Neutronenzählbetrag wird gemäß der Erfindung auf ein Geringstmaß
beschränkt.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine verbesserte Vorrichtung,
die nach den Gedanken der vorliegenden Erfindung arbeitet, um die Neigung der von
einem Bohrloch durchquerten Schichten gegen die Horizontale zu bestimmen.
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Gemäß der Erfindung wird die Bohrlochspülung aus einem Bereich dicht
an der Wand des Bohrloches entfernt, Neutronen mit hoher Energie von dem Bohrloch
durch diesen Bereich in die um-
gebende Bodenschicht gestrahlt,
Neutronen von geringer Energie in dem Bohrloch ermittelt, die im wesentlichen nur
durch diesen Bereich hindurch empfangen werden, und elektrische Signale übermittelt,
die den Neutronenfluß aus dem Bohrloch anzeigen. Gewöhnlich wird der Betrag der
gezählten Neutronen an der Erdoberfläche als eine Funktion der Lage des Bereiches
längs des Bohrloches registriert.
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Eine hierzu geeignete Vorrichtung kann ein Kissen aufweisen, das
aus einer für Neutronen von geringer Energie im wesentlichen durchlässigen Substanz
besteht und an die Wand des Bohrloches gedrückt wird, um die Bohrlochspülung zu
verdrängen. Die Neutronen mit hoher Energie werden von einer Quelle ausgesendet,
die sich in den Kissen befinden kann. Ein Detektor für die Neutronen, die aus der
Bodenschicht durch das Kissen gehen, d. h. langsame (thermische) und/oder weniger
langsame (annähernd thermische) Neutronen, wird mit einem Neutronenschirm verwendet,
der ihn umgibt und nur eine Öffnung gegenüber dem Kissen frei läßt.
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Es können übliche Anzeigeinstrumente verwendet werden, um die Neutronenzählbeträge
als Funktion der Tiefe des Kissens in dem Bohrloch zu registrieren.
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Es hat sich als wünschenswert gezeigt, die Neutronen, die durch die
Wand des Bohrloches in den Bereich der verdrängten Flüssigkeit gehen, zu schwächen.
Dies kann durch einen zweiten Schirm oder eine Sperre erreicht werden, die das.
neutro nendurchlässige Kissen umgrenzt und längs der Wand des Bohrloches gleiten
kann.
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Die Zeichnungen veranschaulichen als Beispiel Ausführungen der Erfindung.
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Fig. I ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
Neutronenuntersuchung gemäß der Erfindung in einem Bohrloch mit der dazur gehörigen
Vorrichtung; Fig. 2 ist ein Schnitt durch Fig. I in vergrößertem Maßstab längs der
gestrichelten Linie 2-2, in der durch die Pfeile gezeigten Richtung gesehen; Fig.
3, 4 und 5 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung; Fig.6 ist
eine schematische Darstellung eines Teiles einer Bohrlochwand im Längsschnitt und
zeigt die Fläche zwischen durchlässigen und nicht durchlässigen Schichten; Fig.
7 ist eine graphische Darstellung des Neutronenzählbetrages als Funktion des Abstandes
längs des Bohrloches an der in Fig. 6 gezeigten Fläche bei anderen Formen von Neutronensonden;
Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung einer abgeänderten Schirmanordnung für
die Neutronensonde, und Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zum Messen der Neigung von Erdschichten mit Hilfe von mehreren Neutronensonden.
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In Fig. I ist ein Bohrloch IO gezeigt, das Bohrlochspülung II enthält.
Die Vorrichtung für eine Neutronen Neutronen-Untersuchung der von dem Bohrloch IO
durchteuften Bodenschichten 12 weist ein längliches zylindrisches Gehäuse 13 auf,
das mit einander gegenüberliegenden gebogenen oberen Gleitfedern 14 und 15 und entsprechenden
unteren Gleitfedern I6 und I7 versehen ist Die Federn 14 und I6 halten eine Neutronenuntersuchungssonde
I8 nachgiebig gegen die Wand des Bohrloches IO.
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Die Federn 15 und I7 drücken ein Kissen 19 gegen die gegenüberliegende
Wand des Bohrloches, um die Kraft der Federn 14 und I6 auszugleichen und so das
Gehäuse I3 etwa in der Mitte des Bohrloches zu halten. Das Kissen 19 kann Elektroden
enthalten, um gleichzeitig mit der Neutronenuntersuchung elektrische Untersuchungen
vorzunehmen. Es können auch andere bekannte Mittel verwendet werden, um die Neutronenuntersuchungssonde
I8 gegen die Wand des Bohrloches 10 zu drücken und zu halten. An dem Gehäuse I3
ist ein Kabel 21 angebracht, mit dem die Vorrichtung in dem Bohrloch in bekannter
Weise gehoben und hinabgelassen wird, und das elektrische Leiter aufweist, die eine
Verbindung mit der Steuer- oder Anzeigevorrichtung an der Erdoberfläche herstellen.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält die Sonde I8 einen beliebigen Detektor
22 für Neutronen mit geringer Energie, vorzugsweise einen Detektor für langsame
(thermische) Neutronen.
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Die zylindrische Fläche des Neutronendetektors 22 wird in einem Umfangswinkel
von Q> Grad von einem Schirm 23 aus einem Werkstoff umgeben, der für langsame
(thermische) und weniger langsame (anannähernd thermische) Neutronen im wesentlichen
durchlässig ist. Der Werkstoff für den Schirm besteht vorzugsweise aus Kadmium oder
Borkarbid.
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Gegenüber der zugekchrten Wand des Bohrloches 10 ist eine unabgeschirmte
Öffnung 24 gelassen. Eine Quelle 25 für Neutronen von hoher Energie, die beispielsweise
durch ein Radium-Beryllium-Kügelchen gebildet wird, liegt vor der Öffnung 24. Den
übrigen Raum zwischen der Offnung 24 und der anliegenden Wand des Bohrloches IO
nimmt ein Schlammentferner26 ein. Die Neutronenquelle 25 kann in einen Hohlraum
27 in dem Schlammentferner 26 gelagert sein, der aus einem Werkstoff besteht, der
ziemlich durchlässig für langsame (thermische) und etwas weniger langsame (annähernd
thermische) Neutronen ist, z. B. festem Aluminium. Der Schlammentferner 26 dient
dazu, alle Bohrlochspülung zwischen der Öffnung 24 in dem Schirm des Detektors 22
und der Erdschicht I2 zu entfernen.
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Um zu verhüten, daß Neutronen von geringer Energie in der umgebenden
Bohrschlammsäule II den Detektor 22 stören, sind die Seiten des Schlammentferners
26 durch etwa radial verlaufende Flansche 28 und 29 des Schirmes 23 (Fig. 2) begrenzt.
Die Ober- und Unterseite des Detektors 22 sind ebenfalls durch Scheiben 3I und 32
' (Fig. I) aus ähnlichem Werkstoff abgeschirmt, die Verlängerungen haben, die in
gleicher Richtung mit den Flanschen 28 und 29 liegen.
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Um die Vorrichtung verhältnismäßig unempfindlich gegen Veränderungen
des Durchmessers des Bohrloches zu machen, sind Schirme oder Sperren für Neutronen
mit geringer Energie in Form von nachgiebigen Kissen oder Sperrklappen 33 und 34
vorgesehen,
die einen gegenüber langsamen (thermischen) und/oder etwas weniger langsamen (annähernd
thermischen) Neutronen ziemlich undurchlässigen Werkstoff enthalten und von den
Flanschen 28 und 29 ausgehen. Die Klappen 33 und 34 können an der Wand des Bohrloches
Ip liegen und sich dessen Form, unabhängig vom Durchmesser des Bohrloches, anpassen.
Zu diesem Zweck können die Klappen 33 und 34 nachgiebig sein und mit einer nachgiebige?
Verkleidung versehen sein. Bei der praktischen Ausführung der Klappen verwendet
man am besten dünne Federstahlplatten, die auf der Rückseite mit Kadmium verkleidet
sind. Wenn Borkarbid als Absorptionsmittel für Neutronen mit geringer Energie verwendet
wird, kann ein nachgiebiger plastischer Werkstoff, z. B. Tetrafluoräthylen-Polymer,
der unter dem Namen »Teflon« im Handel ist, zu einer gekrümmten nachgiebigen Platte
geformt sein, in der das Borkarbid gelagert sein kann. Die Sperrklappen 33 und 34
können bis etwas iiber und unter die Öffnung 24 in dem Schirm des Detektors 22 sich
erstrecken.
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Wenn ein mit Bortrifluorid gefüllter Detektor verwendet wird, muß
der Detektor 22, um Gammastrahleneinwirkungen zu vermeiden, im Bereich der Ionisationskammer
oder in dem proportionalen Bereich, aber nicht in dem Geiger-Zählerbereich arbeiten.
Die Impulshöhe in den erstgenannten Bereichen als Folge der die Kerne des Gases
in dem Detektor beschießenden Neutronen mit geringer Energie, die durch Desintegration
eine Ionisation verursachen, ist ein Vielfaches der Impuishöhe infolge der Gammastrahlung,
während in dem Geigerbereich alle Impulshöhen ungefähr gleich sind und eine unmittelbare
Gammastrahlung von der Quelle 25 die Impulse infolge der Neutronen, wenn keine Abschirmung
vorhanden wäre, verdecken würde.
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Wenn daher in den lonisations- oder proportionalen Bereichen gearbeitet
wird, können die kleineren Impulse infolge von Gammastrahlung verschluckt werden,
so daß nur Impulse auf Grund der Neutronen übrigbleiben.
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Sollte eine Zählvorrichtung verwendet werden, die in dem Geigerbereich
arbeitet und langsame (thermische) Neutronen durch Zählung der Gammastrahlung ermittelt,
die durch Werkstoffe hervorgerufen wird, die unter der Wirkung dieser Neutronen
zerfallen, würde es notwendig sein, die Zählvorrichtung vor allen Gammastrahlungen
von irgendeiner anderen Quelle abzuschirmen als vor denen, die durch die Neutronen
verursacht werden.
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Dies könnte dadurch erreicht werden, daß die unerwünschten Quellen
von Gammastrahlung ausgesetzten Teile des Detektors mit Blei ausgekleidet werden.
Diese Schirmanordnung ist jedoch massig und kompliziert.
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Soweit der Detektor 22 vorzugsweise nur gegenüber annähernd thermischen
und/oder thermischen Neutronen und nicht gegenüber Gammastrahlung empfindlich ist,
ist eine Abschirmung zwischen der Quelle 25 und dem Detektor 22 nicht notwendig.
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Bei der Arbeit wird die Untersuchungsvorrichtung mittels des Kabels
21 durch den Bohrschacht gehoben, während die Sonde I8 an der Wand des Bohrloches
IO liegt. Neutronen mit hoher Energie von der Quelle 25 dringen in die Schicht 12
ein.
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Diese Neutronen werden durch elastisches Auftreffen zerstreut und
schließlich an verschiedenen Stellen in der Schicht, zahlenmäßig vornehmlich von
den Flüssigkeitsgehalten und so der Durchlässigkeit der umgebenden Schicht abhängig,
auf thermale oder epithermale Energie verlangsamt.
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Einige dieser Neutronen mit geringer Energie werden durch den neutronendurchlässigen
Schlammentferner 26 zurückgeleitet und durch den Detektor 22 ermittelt Andere Neutronen
mit geringer Energie dringen an verschiedenen Teilen der Seitenwand in das Bohrloch
10 ein und können weiter durch die Bohrfiüssigkeit 11 verlangsamt werden.
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Weitere Neutronen können zwischen den Schichten und der Flüssigkeit
II hin und her pendeln. Xn jedem Fall hängt das Ergebnis der Zählung der Neutronen
mit geringer Energie von der Zahl der Neutronen mit geringer Energie ab, die in
der Schicht vor der Sonde I8 vorhanden sind, die ihrerseits hauptsächlich von der
Durchlässigkeit der Schicht abhängt. Wenn daher das Ergebnis der Zählung als Funktion
der Lage der Sonde I8 bei ihrer Bewegung längs des Bohrloches festgestellt wird,
kann eine Anzeige der Durchlässigkeit der Schichten in verschiedenen Tiefen erhalten
werden.
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Die Zahl der nur durch die Bohrflüssigkeit II verlangsamten Neutronen
mit geringer Energie, die durch den Detektor 22 ermittelt wird, verglichen mit der
Zahl der durch den Detektor 22 ermittelten, durch die Schichten veriangsamten Neutronen
von geringer Energie ergibt bei richtiger Erwägung unter Berücksichtigung der Zählstatistiken
und der Auflösungswirkung für Schichten verschiedener Durchlässigkeit eine gute
Anzeige der Wirksamkeit der Untersuchungsvorrichtung und ihrer Fähigkeit, eine nützliche
Untersuchung durchiuführen. So können beispielsweise die durch den Detektor 22 gezählten
Neutronen in zwei Gruppen geteilt werden. Die erste Gruppe enthält Neutronen, die
die Schlammsäule vor ihrer Ermittlung nie verlassen haben. Die zweite Gruppe besteht
aus all den Neutronen, die sich vor ihrer Ermittlung einige Zeit in der Erdschicht
befunden haben. Die erste Gruppe kann als »nicht Information bringende Zählung«
(NIBC) bezeichnet werden, da sie keine Aufschlüsse über die Art der Erdschicht liefert,
die letztere dagegen kann als »Informationen bringend« (IBC) bezeichnet werden,
da mindestens ein Teil der Verlangsamung in der Erdschicht entstanden ist. Die IBC
ihrerseits kann in zwei Gruppen geteilt werden. Eine dieser Gruppen enthält Neutronen,
die sich während ihrer ganzen Lebensdauer vor ihrer Ermittlung in der Bodenschicht
aufhielten. So liefert z. B. fester Kalkstein oder trockenes Gestein in der Schicht
unmittelbar vor der Sonde weniger langsame Neutronen als wasserstoffhaltige Schichten.
Die zweite IBC-Gruppe besteht aus ermittelten Neutronen, die ein oder mehrere Male
zwischen der Schlammsäule und der Bodenschicht hin und her gependelt sind. Diese
Neutronen werden, obwohl
sie Informationen bringen und in die obige
Definition der IBC mit eingeschlossen sind, bei ihrer Verlangsamung sowohl durch
die Schlammsäule als auch durch die Bodenschichten beeinflußt.
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Die stärkste nachteilige Wirkung, die vermindert werden soll, ist
die der NIBC, und für einige Zwecke kann das Verhältnis von NIBC zu. IBC als Kriterium
für die Wirksamkeit der Vorrichtung dienen. Wie später gezeigt, ergibt die Verringerung
dieses Verhältnisses den besten Winkel d5 für den Schirm 23. Die Ausschaltung oder
Abschwächung dieser IBC, die Neutronen darstellen, die zwischen der Schlammsäule
und der Bodenschicht hin und her gependelt sind, erfolgt dann durch die Schirmflansche
28 und 29 und die Sperrklappen 33 und 34.
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Die Flansche 28 und 29 dienen auch als Verlängerung des Schirmes 23
bei der Verkleinerung des Verhältnisses von NIBC zu IBC. Der restliche Teil der
IBC besteht dann vornehmlich aus den Neutronen, die ihre Verlangsamung durch die
Bodenschicht erhalten haben, und es ist dies die Anzahl der Neutronen dieser Gattung,
die am stärksten durch die Durchlässigkeit der Bodenschicht beeinflußt ist.
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Die Weise, in der die in Fig. 2 beschriebenen Schirme und Sperrklappen
die Verkleinerung des Verhältnisses von NIBC zu IBC bewirken, wird aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit Fig. 3 bis 7 deutlich.
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In Fig. 3 sind Kurven gezeigt, die den Zählbetrag der langsamen (thermischen)
Neutronen als Funktion verschiedener Abstände in den dargestellten Erdschichten
zeigen. Bei dieser graphischen Darstellung liegt eine Neutronenquelle am Nullpunkt
in einem homogenen Medium, das Wasser oder trockener Sand ist. Die Abszissenskala
stellt dann verschiedene radiale Abstände zwischen der Quelle und verschiedenen
Punkten in der Bodenschicht dar.
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Die Ordinate zeigt die Zählbeträge, die durch einen Detektor angezeigt
werden würden, der an diesen Punkten aufgestellt ist. Die Wassercharakteristik,
die als volle Kurve dargestellt ist, hat etwa die Form, die erwartet werden muß,
wenn die Bodenschichten IOO °/0 durchlässig und mit Flüssigkeit gefüllt wären. Es
läßt sich sofort erkennen, daß infolge von Wasser oder einem durchlässigen Medium
dicht an der Quelle ein sehr hoher Zählbetrag von langsamen Neutronen vorhanden
ist, während weiter nach außen in das Medium hinein diese Beträge abfallen. Bei
trockenem Sand, dessen Charakteristik durch eine gestrichelte Kurve gezeigt ist
und die für nicht durchlässige Bodenschichten kennzeichnend ist, ist der gezählte
Betrag von langsamen Neutronen in der unmittelbaren Nähe der Quelle beträchtlich
kleiner als bei der Wasserkurve, aber er fällt weniger schnell ab.
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Aus den Kurven von Fig. 3 läßt sich erkennen, daß unter idealen Bedingungen,
d. h. ohne Störung durch den Bohrschlamm, durchlässige und nicht durchlässige Schichten
leicht durch Vergleich der Zählungen unterschieden werden könnten und ferner die
gezählten Beträge mengenmäßig in Beziehung zur Durchlässigkeit stehen können. Zweck
der Schirmanordnung nach der Erfindung ist, ein Untersuchungssystem zu schaffen,
das sich diesem Idealfall weitmöglichst nähert.
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Wie oben festgestellt, würde die Gegenwart von Bohrflüssigkeit Ohne
ein Verfähren und eine Vorrichtung, wie sie beschrieben wurde, die Neutronen mit
geringer Energie, die durch wasserstoffhaltige Schichten verlangsamt werden, meist
vollständig überdeckt werden. Wenn die Untersuchungssonde I8 ohne den Schirm 23
(Fig. 2) gegen die Bodenschichten gedrückt wied, ist das Verhältnis von NIBC, d.
h. der nur durch die BOhrflüssigkeit verlangsamten Neutronen, zu IBC, d. h. der
im wesentlichen durch die Bodenschichten verlangsamten Neutronen, meist gleich I.
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Fig. 4 zeigt grap'hisch die Verbesserung des gezählten Betrages,
die durch alleinige Verwendung des besonderen Schirmes 23 von Fig. 2 erzielt wird.
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Die volle Kurve gilt für einen Kadmiumschirm und die strichpunktierte
Kurve für einen Borkarbidschirm (B4 C). Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Winkel, der
den Umfang des Schirmes 23 darstellt, in Graden längs der Abszissenachse eingezeichnet,
während das Verhältnis von nicht Informationen bringenden Zählungen gegenüber Informationen
bringenden Zählungen (NIBCIIBC), wenn die Sonde dicht bei einer IOO§/0 durchlässigen
Schicht liegt, längs der Ordinatenachse aufgezeichnet ist. Dieses Verhältnis fällt
auf ein Minimum von ungefähr 0,24 für einen Kadmiumschirm und ungefähr 0,19 für
einen Borkarbidschirm, wenn 0 auf ungefähr 250C steigt, und beginnt dann zu steigen,
wenn Q> weiter zunimmt. Einer der Gründe für diese Tatsache ist, daß, wenn (
über 2500 anwächst, die Öffnung 24 zu klein wird und ein rascheres Absinken der
IBC als der NIBC bewirkt. Ferner werden einige IBC-Neutronen von den Seiten der
Bodenschichten unmittelbar neben den Flanschen 28 und 29 her aufgenommen, und diese
können den Zähler nicht erreichen, wenn 0 über 2500 steigt. Die radialen Verlängerungen
der Flansche 28 und 2g dienen zum Ausschluß von Neutronen, die durch die Bohrflüssigkeit
II verlangsamt sind, während sie den Eintritt von Neutronen gestatten, die durch
die Bodenschichten verlangsamt wurden und an den Kanten der Öffnung 24 eindrangen.
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Eine stärkere Verkleinerung des Verhältnisses NIBC zu IBC wird durch
Verwendung eines Borkarhidschirmes (strichpunktierte Kurve) an Stelle des Kadmiumschirmes
erzielt. Diese Tatsache zeigt, daß ein beträchtlicher Teil der NIBC annähernd thermische-
Neutronen sind, d. h. Neutronen mit einer Energie, die etwas über der der thermischen
liegt, da Borcarbid für die Sperrung annähernd thermischer Neutronen wirksamer ist
als Kadmium.
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Der Schlammentferner 26, der zwischen der Öffnung 24, den Flanschen
28 und 29 und der Wand des Bohrloches IO liegt, schließt den Schlamm oder die Bohrflüssigkeit
wirksam aus, der bzw. die sonst um die Flanschenkanten herum eindringen könnte,
wo sie die Bohrloch wand berühren. Das Vorhanden sein des Schlammentferners, der
für Neutronen von geringer Energie ganz durchlässig ist, verringert
das
Mindestverhältnis von NIBC zu IBC von ungefähr 0,19 (Fig. 4) weiter auf ungefähr
0,04, so daß die NIBC praktisch vernachlässigt werden können, und bildet eine ausgezeiehnete
Annäherung an die in Fig. 3 erläuterten Idealbedingungen.
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Die Verwendung des Schirmes 23, der Schirmflansche 28 und 29 und
des Schlammentferners 26 zur Verkleinerung des Verhältnisses von NIBC zu IBC bewirkt
auch eine Verminderung des gesamten Zäghlbetrages, da ein Teil der IBC gleichzeitig
mit den NIBC ausgeschlossen werden. Die Nettominderung des Verhältnisses NIBC zu
IBC (Fig. 4) beweist die Tatsache, daß proportional mehr NIBC als IBC von der Gesamtzählung
ausgeschaltet werden. Eine genauere Analyse der Lage, die die statistischen Schwankungen
in dem Zählbetrag berücksichtigt, ergibt sich bei einer Wahl einer Wertangabe, die
einen etwas geringeren Bestwert von ungefähr 2000 von dem Winkel Q> anzeigt.
Um einen Flächenwinkel zu = = (3600 bils 0) von (360 bis 2000) oder I600 für die
Öffnung zu erhalten, ohne daß der Informationen bringende Zählbetrag durch Störung
durch die Bohrflüssigkeit überdeckt wird, sind der Schlammentferner 26 und die Schirmflansche
28 und 29 sehr wünschenswert Eine Berücksichtigung der Veränderungen im Bohrloch
durchmesser zeigt jedoch, daß O = I600 dicht an einem Ende des wünschenswerten Bereiches
liegt.
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Demgemäß liegt der bevorzugte Bereich für einen Flächenwinkel 0 zwischen
60 und I600.
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Obwohl die NIBC in der oben beschriebenen Weise praktisch ausgeschaltet
werden, ist es ferner wesentlich, die Veränderungen der IBC zu vermindern, die von
dem Volumen der Flüssigkeit in dem Bohrloch in der Nähe der Sonde und dadurch tatsächlich
von dem Durchmesser des Bohrloches abhängen. Es hat sich herausgestellt, daß diese
Veränderungen hauptsächlich in der Komponente der IBC auftreten, die durch Neutronen
verursacht wird, die zwischen der Bodenschicht -und der Schlammsäule hin und her
pendeln. und schließlich aus der Bodenschicht durch die Öffnung 24 in den Detektor
22 eingetreten sind. Die volle Kurve 50 in Fig. 5 zeigt beispielsweise das prozentuale
Ansteigen des Zählbetrages als Funktion des Durch messers eines Bohrloches, das
eine Erdschicht aus trockenem Sand durchquert, wenn die Sonde von Fig. 2~ahne die
Sperrklappen 33 und 34 verwendet wird. Da es wünschenswert ist, daß der Zählbetrag
nur eine Funktion der Bodenschichtharakteristike.n ist, wurden die Sperrklappen
33 und 34 angebracht.
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Die sich ergebende Verbesserung mit den Klappen ist durch die gestrichelte
Kurve 5I dargestellt. Die Verminderung in der Veränderung des Zählbetrages bei steigendem
Bohrlochdurchmesser bei Verwendung von Klappen ist in der gestrichelten Kurve 5I
in Fig. 5 ausdrücklich-im- Vergleich zu der vollen Kurve 50 dargestellt. Der Neutronen
absorbierende Werkstoff in den Sperrklappen 33 und 34 (Fig. 2) dient zur Verhütung
der Wanderung von Neutronen quer zur Wand des Bohrloches IO. Da die Zahl der Neutronen,
die durch die Wand zerstreut würden, von dem Durchmesser des Bohrloches abhängt,
verringert die Verkleinerung der Anzahl dieser Neutronen dann die Wirkung des Bohrlochdurchmessers
auf die Gesamtzählung.
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Fig. 6 und 7 zeigen eine andere Art der Verbesserung durch Verwendung
der beschriebenen Schirmanordnungen. Fig. 6 zeigt schaubildlich einen Teil einer
Bohrlochwand mit einer Zwischenfläc'he zwischen undurchläss.igen und durchlässigen
Bodenschichten. Die Neutronenuntersuchungssonde 18 ohne geeignete Abschirmung ergibt
eine Untersuchung, wie sie durch die volle Kurve 70 in Fig. 7 gezeigt ist. Die Kurve
70 setzt sich aus einer etwa konstanten, durch eine gerade Linie 7I dargestellten
Komponente, die die keine Informationen bringenden Zählungen darstellt, die den
Änderungen der Durchlässigkeit der Bodenschicht nicht entsprechen, und einer veränderlichen
Komponente zusammen, die die Informationen bringenden Zählungen darstellt, die der
Kurve 70 ihre Eigenart verleihen.
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Das Verhältnis von NIBC zu IBC wird durch das Verhältnis des Abstandes
zwischen der Ordinatenachse und der Linie 7I zU dem Abstand zwischen der Linie 7I
und der Kurve 70 bestimmt. Gegenüber durchl ässigen Bodenschichten ist das Verhältnis
etwas geringer als I, während es gegenüber undurchlässigen Schichten erheblich größer
als I ist.
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Bei Hinzufügung der Schirme 23, 28 und 29 und des Schlammentferners
26 wird die Zahl von NIBC erheblich vermindert mit der Wirkung, daß sich die Kurve
70 in die gestrichelte Kurve 70' umformt.
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Die NIBC werden jetzt durch eine gestrichelte gerade Linie 7I' angezeigt.
Auf diese Weise wird das Verhältnis von NIBC zu IBC für durchlässige Schichten auf
ungefähr 0,04 verringert, wenn die Abschirmung und der Schlammentferner verwendet
werden.
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Die Verminderung von NIBC verbessert nicht nur das Verhältnis NIBC
zu IBC, sondern ermöglicht weit größere Genauigkeit bei der Unterscheidung zwischen
undurchlässigen und durchlässigen Bodenschichten. Die größere Genauigkeit ist eine
Folge der Tatsache, daß innerhalb mäßiger Grenzen eine statistisch genauere Anzeige
einer jeden Bodenschicht, durchlässig oder nicht, erzielt werden kann, wenn die
Gesamtzahl der Zählungen ein Minimum von nicht Informationen bringenden Zählungen
enthält. Die IBC beispielsweise, die durch die gestrichelte Kurve 70' in Fig. 7
dargestellt ist, bietet, wie durch die Linie 7I' gezeigt, gegenüber einer beliebigen
Erdschicht wesentlich geringeren Spielraum für einen statistischen Irrtum in den
Zählungen, wenn die NIBC zu vernachlässigen sind, als in dem Fall, wo die IBC einem
großen Wert von NIBC überlagert sind, wie in dem durch die Kurve 70 und die Linie
7I gezeigten Fall.
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Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung einer weiteren Schirmanordnung
für die Untersuchungssonde I8. Der Schirm 23' erstreckt sich von oben nach unten'
und von dem Boden des Detektors 22 nach oben, wodurch die Länge der Öffnung 24 verkleinert
wird. Wenn ein Detektor für reine langsame Neutronen verwendet wird, hat es sich
gezeigt,
d:xß, wenn der Abstand d vergrößert oder die Länge des
Detektors von ungefähr 265 mm (11") auf 20-mm (5") verkürzt wird, die Fähigkeit
der Sonde zwischen durchlässigen und undurchlässigen Bodenschichten zu unterscheiden,
um ungefähr 300 verbessert wird, auch wenn die Gesamtzahl der Zählungen der einzelnen
Schichtarten vermindert ist. Diese Verbesserung setzte sich fort, bis ein gewisser
Bestwertvon d erreicht war, und eine weitere Steigerung von d zeigte einen Verlust
dieser Verbesserung. Die Verkürzung der Öffnung 24 ist daher bestrebt, langsame
Neutronen, die infolge undurchlässiger Schichten entstanden sind, stärker auszuschließen
als solche, die infolge durchlässiger Schichten gebildet wurden, wenn der Abstand
d sich vergrößert, jedoch nur bis zu einem bestimmten Wert von d. Bei der Anwendung
dieser Vorrichtung hat es sich als besonders gut herausgestellt, die Quelle zur
Länge des Detektors symmetrisch anzuordnen.
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Zu Fig. 3 sei bemerkt, daß die Abszissenachse den Abstand zwischen
einer Quelle am Nullpunkt und einem Prüfdetektor anzeigt. Wenn diese Strecke parallel
zum Bohrloch und daher parallel zur Längsachse der Untersuchungssonde I8 genommen
wird, kann die Gesamtlänge der Bodenschicht, die von dem Detektor 22 bedeckt wird,
mit L bezeichnet werden. Die Länge des Detektors abzüglich 2 d oder L-2 d ergibt
die Länge der öffnung 24, die den Bodenschiehten ausgesetzt ist. Da die Gesamtzahl
der Zählungen für die Kurven für Wasser oder trockenen Sand, die durchlässigen und
undurchlässi'gen Bodenschichten entsprechen, ungefähr proportional den Flächen unter
diesen Kurven sind, erhöht jede Steigerung des Verhältnisses der Fläche unter der
Wasserkurve zu der Fläche unter der Kurve für trockenen Sand--das Verhältnis der
Gesamtzahl der den einzelnen Bedingungen anzurechnenden Zählungen und ermöglicht
dadurch eine leichtere Unterscheidung. Wenn der Abstand L-2 d vermindert wird, wird
ein proportional größerer Bruchteil der Fläche unter der Kurve für trocloenen Sand
ausgeschlossen als unter der Wasserkurve. Daher ist das Verhältnis der Gesamtzählungen
für Sand gegenüber den Gesamtzählungen für Wasser bei einer Länge der Öffnung 24
von L-2d kleiner, als wenn die Länge der Öffnung 24 gleich L wäre.
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Die Erfahrung zeigt, daß eine Öffnung 24 in dem Schirm 23' entsprechend
einer Länge L-2 d von ungefähr 50 bis I50 mm mit einem Flächen'winkel O von ungefähr
IIoO ein vorteilhafter Bereich für eine verbesserte Unterscheidung der Neutronenzählungen,
entsprechend den üblichen, bei Bohrschachtuntersuchungen vorkommenden Durchlässiggleiten
ist. Obwohl zum Untersuchen von wenig durchlässigen Medien Detektoren verwendet
werden können, die hauptsächlich für langsame Neutronen im epitbermalen Bereich
empfindlich sind, sollten vorzugsweise solche Detektoren benutzt werden, die bei
den üblich auftretenden Durchlässig-Zeiten hauptsächlich für thermale Neutronen
empfindlich sind.
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In ähnlicher Weise würde eine Anordnung, die das Verhältnis der Zählbeträge
für thermische und annähernd thermische Neutronen anzeigt, eine empfindliche Unterscheidung
zwischen hohen und geringen Du.rchlässigkeiten für die untersuchten Erdschichten
bieten.
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In Fig. g ist ein System zur Bestimmung der Neigung von Erdsssnichten
gezeigt, die von einem Bohrloch durchquert werden, wobei drei Neutronenuntersnchungssonden
18, IS' und I8" verwendet werden, die in einer waagerechten Ebene ungefähr I200
gegeneinander versetzt liegen und durch an einem mittleren Gehäuse 94 angebrachte
gebogene Federn 9I, 92 und 93 gegen die Bohrlochwand gedrückt werden. Jede Neigung
der Bodenschichten wird, wenn die Vorrichtung nach Fig. g durch das Bohrloch gehoben
wird, durch die relative Verschiebung entsprechender Änderungen der von den Sonden
rs, 'Und I8" re»,)strierten Untersuchungsergebnisse angezeigt.
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Ein Vorzug der Anwendung der Erfindung für Neigungsmessungen besteht
in der vorzüglichen senkrechten Ausrichtung der Neutronenuntersuchungssonde. Wie
oben ausgeführt, rührt diese verbesserte senkrechte Ausrichtung von der Tatsache
her, daß in der senkrechten Richtung fast kein Abstand zwischen der Neutroneuquelle
und dem Detektor beste'ht. Der Azimutalwinkel der Untersuchung ist entsprechend
der Schirmanord nung so, daß von einer Sonde ausgesandte Neutronen die Neutronen
nicht stören, die von den anderen Sonden ausgesandt werden, die um einen Azimutalwinkel
von I200 von ihr getrennt sind.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Neigung beim Vorhandensein
von Bohrflüssiglseiten auf Ö1-basis gemessen werden kann. Als Folge der oben angegebenen
Kennzeichen wird die Ermittlung einer Zwiscllenfläche von Bodenschichten über das
bisher durch andere mit Strahlungen arbeitende Verfahrens mögliche Maß verbessert.
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Zwar bestehen die besten Unterschiedanzeigen zwischen sehr durchlässigen
und undurchlässigen Bodenschichten, trotzdem sind die Zählbeträge für etwaige Unterschiede
in der Durchlässigleeit zwischen Bodenschichten verschieden, und die wesentliche
Ausschaltung von NIBC ermöglicht, auch kleine Unterschiede der Zählbeträge in IBC
leicht zu beobachten. Die Verwendung einer »Neutronen-Neutronen-Untersuchung« wird
durch Veränderungen bei natürlich auftretenden radioaktiven Werkstoffen bei der
Verwendung von Gammastrahlen, die Erklärung von kleinen Änderungen der Zählbeträge
geben würden, im wesentlichen nicht beeinträchtigt. Dieser Vorteil macht sich vornehmlich
bei der oben beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren, besonders bei der Verwendung
für Neigungsmessungen, bemerkbar.
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Obwohl die Erfindung mit besonderer Hervorhebung der verschiedenen
Schirm anordnungen beschrieben worden ist, können verschiedene, Fachleuten bekannte
-Verfeinerungen in der Gesamtvor. richtung angewendet werden. Die Wandfläche des
Kissens, die den oben erläuterten Schlammentferner
enthält, die
Flansche und Klappen könnten auch aus nachgiebigem, nicht wasserstoffhaltigem Werkstoff
unter Hinzufügung einer Neutronen absorbierenden Verbindung bestehen.
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Auch andere Änderungen können an der Vorrichtung vorgenommen werden.
Es können beispielsweise 'hinter dem Detektor 22 geeignete elektronische Kreise
der üblichen Art verwendet werden.
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Auch die Untersuchungsgeschwindigkeit oder der Betrag, um den die
Vorrichtung an dem Bohrloch entlang angehoben wird, kann einfach durch Steigerung
der Menge des die Neutronen abgebenden Quellenmaterials vergrößert werden.
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PATENTANspROcnE= I. Verfahren iur Unt,ersuohung der von einem was
serstoffhaltige Flüssigkeit enthaltendenBohrloch durchteuften Bodenschichten durch
Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochspülung aus einem Bereich an
der Wand des Bohrloches entfernt wird, Neutronen mit hoher Energie von dem Bohrloch
durch diesen Bereich in eine Bodenschicht ausgestraihlt werden, Neutronen mit geringer
Energie, die im wesentlichen nur durch diesen Bereich hindurch empfangen werden
in dem Bohrloch ermittelt und Signale aus dem Bohrloch heraus übermittelt werden,
die den Neutronenfluß anzeigen.