WO2024017997A1 - Rf-bohrlochsondensystem und verfahren zum betrieb einer rf-bohrlochsonde - Google Patents

Rf-bohrlochsondensystem und verfahren zum betrieb einer rf-bohrlochsonde Download PDF

Info

Publication number
WO2024017997A1
WO2024017997A1 PCT/EP2023/070144 EP2023070144W WO2024017997A1 WO 2024017997 A1 WO2024017997 A1 WO 2024017997A1 EP 2023070144 W EP2023070144 W EP 2023070144W WO 2024017997 A1 WO2024017997 A1 WO 2024017997A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
borehole
probe body
probe
probe system
detector
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/070144
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Harms
Jochem KÜCK
Marco Groh
Claus Bachmann
Jan BACHMANN
Original Assignee
Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ - Stiftung des Öffentlichen Rechts des Landes Brandenburg
J&C Bachmann Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ - Stiftung des Öffentlichen Rechts des Landes Brandenburg, J&C Bachmann Gmbh filed Critical Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ - Stiftung des Öffentlichen Rechts des Landes Brandenburg
Publication of WO2024017997A1 publication Critical patent/WO2024017997A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/04—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging
    • G01V5/08—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays
    • G01V5/12—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays using gamma or X-ray sources

Definitions

  • the invention relates to an RF (X-ray fluorescence) borehole probe system and a method for operating an RF borehole probe.
  • a borehole can be drilled into the rock and a borehole probe can be moved up and down in the borehole, with a sensor of the borehole probe detecting signals from the probe environment, which can then be evaluated for the detection and concentration measurement of existing elements.
  • X-ray fluorescence borehole probes which contain an x-ray source and a detector for fluorescence radiation, with output signals from the detector being evaluated for the described detection and concentration measurement. It is desirable to improve detection and concentration measurement, particularly their reliability and accuracy. It is also desirable to enable detection and measurement in an environmentally friendly, safe, cost-effective and continuous manner.
  • EP 0 184 898 A1 discloses a survey in which radiation scattered by a borehole environment and surrounding earth information is analyzed in order to provide indications of certain preselected borehole and earth formation properties.
  • the publication discloses the interpretation of detector signals to obtain indications of tool distance.
  • EP 2 223 166 A2 discloses a tool for use in the hydrocarbon industry, in particular a well imaging tool, which uses an X-ray generator.
  • CA 2 519 740 A1 discloses the drilling of boreholes and the measurement of boreholes. The publication discloses in particular the estimation of distances to layer boundaries.
  • GB 2 444 801 A discloses an apparatus and method for evaluating a formation surrounding a borehole using an X-ray generator.
  • US 4,628,202 A discloses a radioactivity well logging and methods and devices for identifying the density and lithology of subsurface earth formations. The document further discloses the storage of a so-called short-range count rate and the storage of a spectrum or count rate spectra.
  • the WO 2021/108847 A1 discloses a blasthole surveying system and a modular borehole surveying tool.
  • the system includes at least one probe body.
  • This can comprise a housing, with components of the borehole probe system being arranged in an internal volume of the housing.
  • the housing can also be referred to as a probe cladding tube.
  • the probe body, in particular the housing can be made of metal.
  • the probe body may have a lower end and an upper end. If the borehole probe is inserted into a borehole as intended, the lower end of the probe body is arranged along the direction of gravity below the upper end. When used as intended in the borehole, the upper end refers to the end of the probe body that is closer to the surface.
  • the probe body can comprise an interface for mechanically fastening a cable or rope, which serves in particular to transmit a driving force to the probe body in the borehole , i.e. to move the probe body up and down in the borehole.
  • the driving force can be generated by a corresponding device, which is usually arranged outside the borehole.
  • a drive cable or rope can thus be guided in a known manner to a drive device, for example a driven pulley, in order to generate the driving force.
  • an interface for signal and/or data transmission to be arranged on the probe body at the upper end.
  • the interface can, for example, be designed to enable a plug connection with a data cable, which can also be referred to as a logging cable. It is conceivable that such a data cable also serves as a drive cable or a drive cable also serves for data transmission.
  • a drive cable can have electrical wires for signal and/or data transmission.
  • a drive cable and a data cable can be designed separately from one another.
  • the probe system can include a communication device, which is arranged in particular in the probe body and can transmit signals via the interface. This communication device can in particular enable DSL-based communication. Of course, other forms/types of communication are also conceivable.
  • the probe body can comprise an interface for establishing an energy connection, i.e. an energy supply to components of the probe system, whereby, for example, an energy storage device of the probe system, which can be arranged in the probe body, can also be charged.
  • This interface can also be arranged at the upper end.
  • the probe system can therefore be a battery-operated probe system, with the energy storage device of the probe system, which can be arranged in the probe body, supplying components of the probe system with electrical energy.
  • the borehole probe system comprises exactly one X-ray source or several X-ray sources, which is arranged in the probe body. This is used to generate X-rays, which are then emitted into the surroundings of the probe body.
  • the radiation source is preferably designed as an X-ray tube, where A target material of the X-ray tube can be, for example, molybdenum, but also rhodium or another material known to those skilled in the art.
  • the target material can in particular be an anode material of the X-ray tube, onto which electrons accelerated under high voltage from a cathode of the X-ray tube impact.
  • the functionality of an X-ray tube is known to those skilled in the art.
  • the X-ray source it is also possible for the X-ray source to be a piezo effect-based X-ray source or a laser-based X-ray source.
  • the probe body prefferably has one or more X-ray windows through which radiation generated by the X-ray source can escape from the probe body to an environment.
  • the borehole probe system further comprises a detector for fluorescence and/or scattered radiation.
  • the fluorescent radiation is excited by the X-rays generated by the X-ray source.
  • the scattered radiation refers to the portion of the radiation generated by the X-ray source that is scattered to the detector and can also include or be gamma radiation.
  • the material irradiated by the X-ray source which emits the explained fluorescent radiation under irradiation and/or scatters scattered radiation, can be the borehole fluid or the drilled rock, i.e. the material that surrounds the borehole.
  • the detector is also arranged in the probe body, in particular in the housing.
  • the fluorescent radiation as well as the scattered radiation from the environment enters the probe body through the previously explained X-ray window and is then detected by the detector.
  • the probe body it is also possible for the probe body to comprise a plurality of X-ray windows, for example a first X-ray window being arranged and/or designed in such a way that radiation generated by the X-ray source can be emitted into the environment, while a further X-ray window can be designed and/or arranged in such a way This means that X-rays and/or scattered radiation can be emitted to the detector from the environment.
  • the borehole probe system further comprises an evaluation device for evaluating the output signals generated by the detector, the evaluation device being designed for element analysis of the irradiated material.
  • An evaluation device can be designed as a microcontroller or integrated circuit or a include such(s).
  • the evaluation device can comprise a so-called multi-channel analyzer. This is used in a known manner to measure a statistically distributed sequence of electrical pulses of changing amplitude in order to determine their frequency distribution. Based on the output signals of such a multi-channel analyzer, a spectrum of the detected radiation can be determined, for example in the form of a histogram.
  • the evaluation device may include a digitization device that digitizes the output signals of the detector, in particular in such a way that a computer-implemented signal analysis of the generated output signals can be carried out.
  • a digitization device can in particular be designed as an ADC converter.
  • the evaluation device can be further designed for element analysis, which includes, for example, element detection, identification and, if necessary, element quantification.
  • element analysis can be carried out based on the spectrum, i.e. a spectral profile, of the radiation detected by the detector.
  • so-called spectral lines in a low-energy range preferably a range from 0 keV (exclusive) to 45 keV (including), can be used for the analysis.
  • the range can also extend from 0 KeV (exclusively) to a value greater than 45 keV.
  • a local maximum in the spectrum can be referred to as a spectral line.
  • a spectral line can be assigned an intensity and a width.
  • the spectral line can therefore comprise a (narrow) frequency range, the half-width of which can be referred to as the width of the spectral line.
  • the evaluation device is additionally designed to determine a specific density of the irradiated material. Alternatively or cumulatively, the evaluation device is designed to determine a distance between the probe body and a borehole wall.
  • the specific density can be determined from the spectral profile of the detected radiation, in particular from a course of the profile and/or a profile property.
  • the so-called brachial radiation can be identified in the spectral profile, whereby the specific density is determined depending on the course and/or properties, for example an intensity maximum, of the brachial radiation, especially since the energetic maximum of the bremsstrahl also varies with the specific density.
  • the specific density can preferably be determined on an assignment-based basis.
  • different specific densities can be assigned to different profiles or properties, for example as part of a calibration or as a result of preliminary tests. This information, i.e.
  • information about the specific density, the profile or the properties as well as their association with one another can then be stored, in particular in a storage device of the probe system, for example in the form of a database. It is then possible to determine a spectral profile of the detected radiation, in particular the bremsstrahl, or its property(s) and then to determine the specific density as the specific density that is assigned to a profile or property that is not deviates more than a predetermined amount from the signal-based specific profile/property.
  • the specific density determined in this way can then be used to characterize the lithology, but also to correct the elemental analysis of the drilled rock.
  • a density-related scattering component of the detected radiation can be taken into account in the element analysis, since it represents a specific property of the irradiated material.
  • the intensity, in particular the spectral intensity, of the detected radiation changes depending on the specific density of the irradiated material. The higher the specific density, the lower the intensity will be. It is therefore possible to change the intensity of the detected radiation depending on the density if the specific density is known. For example, the intensity can be increased more for a higher specific density than for a comparatively lower specific density.
  • the elemental analysis can then be carried out on the basis of or depending on the density-dependent corrected/changed intensity.
  • the specific density can also be used for elemental analysis of the borehole fluid.
  • material of the borehole fluid can be determined depending on the specific density.
  • a hydraulic property or change in properties in the borehole for example an inflow or outflow of borehole fluid, can be determined, in particular detected, depending on the specific density. This also makes it possible to generate location-referenced information about inflows or outflows in the borehole.
  • a location-referenced information refers to information that is one Location information is assigned.
  • the location information can be determined in a known manner, for example as depth information, which can be determined using sensors, for example.
  • the depth information can be determined depending on a position/angle detection device of a rope/cable transmitter device, which sets the length of the rope/cable in the borehole and thus the depth. It is also conceivable that an acceleration sensor is used to determine position. Depth information can also be determined using a pressure sensor, with the depth being determined depending on a detected pressure.
  • the distance can be determined depending on a height, i.e. a line intensity, of exactly one or more characteristic, in particular anode material-specific, spectral lines in the spectral profile of the detected radiation.
  • the line intensity can be determined at one or more predetermined, in particular anode material and thus radiation source-specific, frequencies or frequency ranges, with the distance then being determined depending on this/these line intensities.
  • This determination can also be based on assignment, whereby, for example in a calibration process or in corresponding preliminary tests, different distances to different heights of characteristic spectral lines are assigned. It can be assumed that different heights can be detected for different distances.
  • the distance can also be determined based on triangulation.
  • a distance from the borehole wall can be determined depending on a predetermined or determinable angle of incidence of the emitted X-rays onto the borehole wall and a position of an intensity maximum generated by the reflected radiation in a detector surface.
  • Corresponding triangulation methods are known to those skilled in the art.
  • a distance measurement can be carried out mechanically, for example via suitable measuring devices, for example via a measuring mandrel, for which purpose the system can include such measuring devices. These can in particular be arranged in or on the housing. Such a distance measurement can, for example, be carried out additionally and used to correct or improve the distance measurement.
  • the distance can also be used to correct the fluorescence-based element analysis, in particular by eliminating distance-related scattering and attenuation Radiation can be taken into account. In particular, this distance-related scatter and attenuation can be compensated for or eliminated.
  • the intensity, in particular the spectral intensity, of the detected radiation changes depending on the distance. The higher the distance, the lower the intensity will be. It is therefore possible to change the intensity of the detected radiation depending on the distance if the distance is known. For example, the intensity can be increased more for a larger distance than for a comparatively smaller distance.
  • the element analysis can then be carried out on the basis of or depending on the distance-dependent corrected/changed intensity.
  • the proposed distance measurement enables an accuracy in the range of less than 1 mm.
  • the distance determination can also be used to detect breakouts in the borehole and/or to create a borehole profile. For example, a location-referenced localization of breakouts in the borehole and thus a borehole volume determination can take place.
  • Determining the distance also makes it possible to form partial spectra and from these to form an overall spectrum for element analysis. For example, during a movement of the probe body in the borehole, in particular during an upward or downward movement as well as a sideways movement, a spectrum can be determined repeatedly, in particular periodically, more particularly at a frequency of, for example, 1/ms, with a distance value being assigned to the spectrum can be. This spectrum can then be referred to as a subspectrum.
  • a resulting distance-specific spectrum can then be determined from all spectra that were generated in particular in a predetermined period of time and/or in a predetermined position range and to which the same distance values are assigned or whose assigned distance values do not differ from one another by more than a predetermined amount, for example by appropriate averaging or fusion.
  • the resulting Distance-specific spectrum in particular the intensities in the spectrum, can then be corrected depending on the distance, as explained above.
  • An overall resulting spectrum can then be determined from all distance-corrected resulting spectra, for example by suitable averaging or fusion, in which case the overall resulting spectrum can then be used for element analysis.
  • the determination of the specific density and/or the distance can be carried out with a location reference. If the output signals are also determined with a location reference, the specific density and/or the distance can be taken into account in the element analysis depending on the location, particularly in the case of a subsequent evaluation or an evaluation off site, e.g. in a laboratory.
  • the proposed borehole probe system thus advantageously enables an accurate and reliable element analysis, in particular an accurate and reliable element identification and concentration determination.
  • an accurate and reliable element analysis By evaluating the output signals of the detector to determine the density and/or the distance, this improvement can also be made possible with a continuous measurement.
  • safe and environmentally friendly determination is made possible.
  • a location-referenced element analysis can also be carried out.
  • the probe body can comprise or form at least one decentering means which ensures a decentralized arrangement of the probe body in the borehole.
  • the probe system in particular the probe body, can have or form at least one spring arm, which is arranged and/or designed in such a way that a probe body that is inserted into a borehole is pressed against the borehole wall by the at least one spring arm and is thus decentralized in the borehole Borehole is arranged.
  • the evaluation device is arranged in the probe body, in particular in the housing of the probe body. In this case, the evaluation takes place in the probe body.
  • An RF borehole probe is thus described, which includes the probe body, the X-ray source, the detector and the evaluation device.
  • the RF borehole probe system comprises at least one high-voltage source for supplying energy to the radiation source, the high-voltage source being arranged in the probe body.
  • the high voltage source can generate operating voltages for the radiation source up to 50 kV or even operating voltages greater than 50 kV. This advantageously results in the need for no means for transmitting the operating voltage from a voltage source outside the probe body to the radiation source in the probe body, which in turn enables simple operation of the borehole probe system.
  • the high-voltage source is arranged along a central longitudinal axis of the probe body closer to an upper end of the probe body than the radiation source and/or as the detector and/or as the evaluation device. This enables efficient cooling of the high-voltage source and, in particular, reduces the thermal load on the detector and/or the evaluation device. This is particularly the case because thermal energy generated by the radiation source and/or the high-voltage source is dissipated upwards by convection during normal operation. Overall, the reliability of the operation of the proposed borehole probe system is improved in an advantageous manner.
  • the RF borehole probe system comprises a storage device for storing signals, in particular the previously explained pulses, which are registered by the detector.
  • these signals can be stored with a time reference. This makes it possible to store, for example, which signal/pulse was detected at which point in time. It is also possible for an energy level, for example in keV, of the registered signal to be stored.
  • the storage device is also arranged in the probe body. This advantageously enables registration of (X-ray) photons and in particular the signal changes triggered by them in the detector, for example in the form of voltage pulses. For example, a time stamp can be assigned to these signal changes, which is also saved.
  • the storage device described or a further storage device can (also) serve to store data or data sets processed by the evaluation device, with a further storage device also being able to be arranged in the probe body. For example, a spectrum or a part of it can be stored, which was determined by evaluating the detected signals. It is also possible to save the explained specific density and/or the distance. This can be done in particular with a location reference, whereby location information, for example a spatial position, in particular depth information, can be assigned to the corresponding information and can also be stored. Of course, it is also conceivable that an element is identified and/or an element concentration is determined and corresponding element information is stored. The information stored in this way can be transmitted from the storage devices into the probe body to an external system, in particular via the data and/or signal interface explained.
  • the RF borehole probe system comprises at least one X-ray window which is arranged in an outer wall of the probe body.
  • the X-ray window is made of a material that is transmissive for X-rays. Such material may be, for example, but not limited to, PP, PEEK, TPU, borosilicate or diamond or a combination of at least two of these materials. It is also possible that the material is a combination of one of the listed materials with at least one further material that is not explicitly listed.
  • the X-ray window has a hydrophobic outer surface or is coated with a hydrophobic layer. The coating can be a nanocoating.
  • the surface can provide a lotus effect, whereby this outer surface can only be wetted by liquids to a very small extent.
  • the micro- and nanoscopic architecture of the surface can be designed accordingly. This advantageously enables the emission of X-rays from the probe body are influenced as little as possible by liquids, which in turn improves the accuracy and reliability of elemental analysis.
  • the outer surface of the X-ray window is coated with an airgel material.
  • the coating with the airgel material can in particular be carried out in such a way that an airgel cushion is glued to the X-ray window or otherwise attached to it.
  • a thickness of the coating can be up to 1 mm.
  • An airgel can refer to an open-pored, nanostructured material.
  • a hydrophobic airgel material can be used for coating. It is possible that a predetermined percentage of the volume of the airgel material, for example up to 95%, consists of pores.
  • the airgel material is preferably a silicate-based material. This also advantageously results in a slight influence on the radiation emitted from the probe body.
  • the X-ray window is stabilized by a support structure.
  • the support structure can be honeycomb-like and/or include support webs, with a mechanical strength or mechanical rigidity of the X-ray window with the support structure being greater than that of the X-ray window without a support structure.
  • the mechanical strength or mechanical rigidity of the support structure can also be greater than the remaining window material.
  • the material of the support structure can also be transmissive to X-rays. It is possible for the support structure to be formed from the same material as the remaining window material, although the support structure may have different mechanical properties than the remaining material. This advantageously results in high stability of the X-ray window and thus high operational reliability when operating the borehole probe system.
  • the RF borehole probe system comprises at least one gas outlet, wherein the gas outlet is arranged and/or designed such that a gas curtain or gas cushion can be generated in front of the X-ray window by the outlet of gas from the gas outlet.
  • the gas can in particular be air or an inert gas.
  • the outlet can be arranged in such a way that gas is released when the probe is used/introduced into a borehole as intended X-ray window flows past.
  • the outlet can be arranged along the central longitudinal axis of the probe body closer to a lower end of the probe body than the X-ray window. In this case, escaping gas can flow past the X-ray window due to the buoyancy. This also advantageously results in radiation emitted from the probe body by the radiation source being influenced as little as possible by borehole material.
  • the borehole probe system in particular the probe body, to have or form a retaining device which extends the time until the gas escapes from a volume of space in front of the X-ray window compared to a design without a retaining device.
  • a retaining device can, for example, be designed as a structure projecting from an outside of the probe body.
  • the proposed system also includes at least one further pneumatic device, for example a pump and/or a gas reservoir, which can be pneumatically connected to the gas outlet.
  • the further pneumatic device can also be arranged in the probe housing.
  • the well probe system includes a device for generating gas from the well fluid.
  • This device can also be arranged in the probe body and fluidly connected to the gas outlet. This advantageously results in the fact that the installation space requirement can be reduced, since no gas storage is required to supply the gas outlet, but gas can be generated directly from the borehole fluid.
  • the RF borehole probe system in particular the probe body, has or forms at least one brush element for cleaning the borehole wall.
  • a brush element can be used in particular to scrape or scrape off the so-called filter cake and advantageously enables a more reliable and precise elemental analysis of the rock, since the borehole material does not influence the signal generation or influences it to a lesser extent. This applies in particular to electrical, acoustic or optical measurements of the rock.
  • the at least one brush element is arranged to be movable relative to the probe body.
  • the brush element can be movably mounted on/in the probe body.
  • the brush element can be a driven brush element, for example a rotating or linearly movable brush element.
  • a corresponding drive device can be part of the borehole probe system and can in particular be arranged in the probe body.
  • the brush element is arranged in a stationary manner relative to the probe body. In this case, it can, for example, be arranged mechanically rigidly on the housing.
  • the at least one brush element is arranged along a central longitudinal axis of the probe body closer to an upper end or closer to a lower end of the probe body than an X-ray window in the probe body.
  • the brush element is preferably arranged at the lower end of the probe body.
  • the RF well probe system includes at least one light source and at least one light detector for hyperspectral material analysis.
  • the light source can in particular be an infrared light source and the light detector can be an infrared light detector.
  • the wavelength of infrared radiation can be in the range from 400 nm to 2000 nm.
  • the evaluation device or a further evaluation device of the borehole probe system can be designed for hyperspectral material analysis. This means that a mineral analysis can also be carried out in addition to the RF-based element analysis. It is conceivable that the light generated by the light source is radiated out of the probe body through a window which is different from the X-ray window.
  • the borehole probe system comprises at least one monochromatic radiation source and at least one detector for the scattered monochromatic radiation for Raman spectroscopic material analysis.
  • the evaluation device or a further evaluation device of the borehole probe system can be designed for Raman spectroscopic material analysis. It is conceivable that the radiation generated by the monochromatic radiation source is radiated out of the probe body through a window which is different from the X-ray window.
  • the borehole probe system comprises at least one optical radiation source that emits radiation with wavelengths of the hyperspectral spectrum, preferably with a wavelength from a spectrum of 350 to 800 nm, and at least one detector for the scattered radiation generated by the optical radiation source for material analysis based on optical fluorescence.
  • the spectral resolution can be in the range of nm, for example in the range from 3 nm to 10 nm.
  • the evaluation device or a further evaluation device of the borehole probe system can be designed for material analysis based on optical fluorescence. It is conceivable that the radiation generated by the optical radiation source is radiated out of the probe body through a window which is different from the X-ray window.
  • the output signals generated by the at least one detector explained and/or the information generated by an evaluation device through material analysis can be stored in the said storage device or a further storage device of the borehole probe system, in particular in a location- and/or time-referenced manner, e.g. in order to enable an evaluation site, e.g. in the laboratory.
  • the proposed borehole probe system can include at least one fan, which can be arranged in particular in the probe body.
  • the fan can be arranged below or above a circuit board, with the evaluation device being arranged on the circuit board.
  • the borehole probe system can comprise or form a cooling container, which can be arranged in particular in the probe body.
  • This cooling container can be arranged in particular at a lower end of the probe body.
  • the cooling container is used to hold a cooling material, for example ice.
  • the cooling container part can be a cooling system of the borehole probe system, in particular of the probe body.
  • the cooling system can include at least one cooling finger, which is, for example, thermally connected to the cooling container, in particular to the cooling material in the cooling container.
  • the cold finger can be used to cool the air in the probe body. This means that the borehole probe system can also be used at high ambient temperatures and enables reliable and accurate material analysis.
  • the borehole probe system can comprise at least one fan, which can be arranged in particular in the probe body.
  • the at least one fan is arranged and/or designed in such a way that a carrier board and components arranged thereon, e.g. the evaluation device and/or the storage device, can be flowed against by an air flow generated by the fan for cooling purposes.
  • one or more fans can be arranged and/or designed in such a way that a circular air flow can be generated around the carrier board, i.e. also above and below the carrier board.
  • the borehole probe system comprises a water sensor for detecting a state of the probe body in water.
  • This water sensor can, for example, generate a first output signal when the probe body is under water and generate a further output signal when the probe body is not under water. If the first output signal is generated, a gas outlet can be activated from the previously explained outlet opening, for example.
  • An evaluation can also be adapted to an underwater condition.
  • Proposed is a method of operating an RF well probe system according to one of the embodiments described in this disclosure.
  • a specific density of the irradiated material and/or a distance between the probe body and a borehole wall is determined.
  • an element analysis in particular the element identification and concentration determination explained, can also be carried out depending on the output signals generated by the detector.
  • an element analysis is carried out to take into account or depending on the specific density and/or the distance.
  • the specific density and/or the distance can affect the spectral profile of the radiation received by the detector. If the specific density and/or the distance is known, the spectral profile can be corrected, which in turn enables a more accurate and reliable elemental analysis.
  • output signals of the detector are stored, in particular in a time-referenced manner.
  • radiation is generated from a radiation source of the borehole probe system, which is different from the X-ray source.
  • This radiation is emitted.
  • the radiation can, as explained above, be infrared radiation, monochromatic radiation or optical radiation.
  • the scattered radiation can be detected and a material analysis can be carried out depending on the detected radiation.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a borehole probe system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through a borehole probe system according to the invention in a further embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a probe body in the area of the X-ray source
  • FIG. 4 shows a further schematic cross section through a probe body in the area of the X-ray source
  • FIG. 6 is a perspective view of a brush element
  • FIG. 7 shows a further schematic longitudinal section through a probe body in the area of an X-ray window
  • FIG. 8 is a perspective view of an X-ray window
  • FIG. 9 shows a schematic block diagram of a borehole probe system according to the invention in a further embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic flow diagram of a method according to the invention for operating a borehole probe system according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through a probe body 2 of an RF borehole probe system 1 according to the invention.
  • the probe body 2 comprises a probe cladding tube 3 and an X-ray window 19, which is arranged in the probe cladding tube 3 and allows transmission of X-rays from the interior of the probe cladding tube 3 out into the Surroundings as well as the transmission of X-rays and/or scattered radiation from the surroundings into the interior of the probe cladding tube 3.
  • the borehole probe system 1 further comprises an or X-rays scattered by the environment (scattered radiation), the emitted radiation being generated by the X-ray source 4.
  • the X-ray source 4 generates the X-rays and emits them into an environment of the probe body 2, in particular into a borehole fluid 6 and into the drilled rock 7 (see FIG. 3).
  • the radiation is emitted into the air in the borehole. Fluorescence radiation is then excited in the borehole fluid 6 or the air and/or the rock 7 and/or the emitted X-rays are scattered and radiated back to the probe body 3, this radiation then being detected by the detector 5.
  • the borehole probe system 1 further comprises an evaluation device 8, which is also arranged in the probe body 2. Also shown is a storage device 9, which is also arranged in the probe body 3 and is connected to the evaluation device 8 for data purposes.
  • the borehole probe system further comprises a high-voltage source 10, which generates or provides an operating voltage for the X-ray source 4, which can in particular be designed as an X-ray tube, preferably as a molybdenum X-ray tube.
  • the borehole probe system also includes brush elements 11, which are arranged on an outside of the probe cladding tube 3 and serve to clean the borehole wall 12 (see FIG. 3).
  • Probe body 1 shows a lower end 13 and an upper end 14 of the probe body 2, the upper end 14 being the end closer to the surface when the probe body 2 is used as intended in the borehole 15 (see, for example, FIG. 9).
  • Probe body 2 is.
  • an interface 16 for mechanically fastening a holding cable 17 (see also FIG. 9) and for establishing a signal connection with an external system, for example for connecting a so-called logging cable.
  • the holding cable 17 has electrical wires that are suitable for signal transmission, whereby the holding cable 17 forms the mentioned logging cable.
  • the X-ray source 10 is arranged along a central longitudinal axis of the probe body 2 closer to the upper end 14 of the probe body a2 than the radiation source 4, the detector 5 and the evaluation device 8.
  • the evaluation device 8 which may include a microcontroller or an integrated circuit or be designed as such, can evaluate the output signals generated by the detector 5.
  • the evaluation can be used to determine a spectrum of the radiation received by the detector s.
  • the evaluation device can include a multi-channel analyzer.
  • the evaluation device 8 can carry out an elemental analysis of the irradiated material, in particular based on the spectrum and its properties. In particular, the evaluation device 8 can identify an element and determine its concentration in the irradiated material.
  • the evaluation device 8 is designed to determine the specific density of the irradiated material. Alternatively or cumulatively, the evaluation device 8 is designed to determine the distance between the probe body 2 and the borehole wall 12. The element analysis explained can be carried out depending on the specific density determined with the evaluation device 8 and/or depending on the distance determined with the evaluation device 8.
  • the storage device 9 is used to store the signals registered by the detector 5, in particular in a time-referenced manner. The storage device 9 or a further storage device (not shown) can also be used to store data or data sets that have already been processed by the evaluation device 8.
  • Fig. 2 shows a schematic longitudinal section through a probe body 2 in a further embodiment.
  • the borehole probe system in particular the probe body 2, comprises spring elements 18 for decentering the probe body 2 in a borehole 15.
  • the spring elements 18 are designed as arc spring elements in the embodiment shown in FIG. 2, with the two ends of a spring element 18 attached to the outside of the probe cladding tube 3.
  • the bow spring elements 18 also protrude from the outside.
  • the spring elements 18 press the probe body 2 against the borehole wall 12. This can advantageously ensure that as little borehole fluid 6 as possible is arranged between the X-ray window 19 and the borehole wall 12.
  • the spring elements 18 are arranged on a portion of the outside of the probe cladding tube 3, which lies opposite the area with the X-ray window 19.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a portion of the probe body 2.
  • An X-ray tube 20 is shown, which emits X-rays through a slit diaphragm 21 and through an X-ray window 19 out of the probe body 2.
  • a primary beam path 25 of an emitted X-ray is shown.
  • a detector 4 and a detection area of the detector 4 bordered by a dot-dash line. This receives radiation entering the probe body 2 from the outside through the X-ray window 19, in particular the fluorescence and/or scattered radiation, which is emitted in the irradiated material by the radiation source 5 generated X-rays are excited.
  • a shield plate 22 which is arranged between the X-ray tube 20 and the detector 4 and prevents radiation emitted by the X-ray tube 20 from being received by the detector 4. It is possible for the X-ray tube 20 and the detector 4 to be arranged offset from one another along a transverse axis of the probe body 2, which can, for example, be oriented perpendicular to the plane of the drawing. Detection areas can therefore also be arranged offset from one another along this transverse axis.
  • Fig. 4 shows a schematic cross section through a probe body 2 in a further embodiment.
  • the X-ray tube 20 is again shown, which can be designed, for example, as a side window tube.
  • An anode of the X-ray tube can be connected to a reference or ground potential, which can be the potential of the probe cladding tube 3, for example.
  • a cathode can be connected to a high voltage source 10 be connected.
  • an interface 23 for controlling a high-voltage source 10 which can provide a fiber optic cable connection and a connection for the electrical supply of the high-voltage source 10. This is connected to the high-voltage source 10 via a cable duct 24.
  • a carrier board of the interface 23 can also be arranged in the cable duct 24.
  • slit diaphragm 21 which can be made of molybdenum, for example.
  • a beam path 25 generated by the X-ray tube 20 is shown schematically.
  • a mica tube 26 in which the X-ray tube 20 is arranged and which is completely cast for electrical insulation.
  • Fig. 5 shows a schematic cross section through an interface 16, which can be arranged at the upper end of a probe body 2 (see, for example, Fig. 1).
  • the interface 16 includes a 4-pole connection device 27. This is arranged in a through opening 28 formed by the interface 16. It is also shown that the 4-pole connection device 27 is connected to an external thread element 31 via a sealing ring 29 and a spacer 30.
  • the external thread element 31 can be screwed into an internal thread of the interface 16 arranged in the through opening 28.
  • external thread sections 32, 33 of the interface 16 with a first external thread 32 serving to connect a holding and logging cable 17 (see FIG. 9) and a second external thread 33 for screwing the interface 16 into the probe body 2.
  • the interface 16 can be made of titanium.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a brush element 11.
  • This brush element 11 has grooves 34 or notches on an outer surface, the central center axes of which are oriented obliquely to a central longitudinal axis of the brush element 11. If this brush element 11 slides along a borehole wall 12 (see, for example, FIG. 3), material scraped from the borehole wall 12 can enter the grooves 34 and be transported along the grooves 34.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through a part of the probe body 2 in the area of the X-ray window 19.
  • a gas outlet element 35 is shown, which is fluidly connected to a gas reservoir 36 which is arranged in the probe body 2.
  • the gas outlet 35 is here, purely as an example, arranged on an outside of the probe cladding tube 3. If the gas outlet 35 is fluidly connected to the Gas storage 36 is connected and gas is supplied to it, the gas outlet 35 generates a gas curtain or a gas cushion in front of the X-ray window 19, in particular in front of an outside of the X-ray window 19.
  • the X-ray window 19 can have or form a hydrophobic outer surface or be coated with a hydrophobic layer. Further alternatively or cumulatively, the X-ray window 19, in particular an outer surface, can be coated with an airgel material.
  • Fig. 8 shows a perspective view of an X-ray window 19, which is made of a material that is transmissive for X-rays. Screws 37 for mechanically connecting the X-ray window 19 to the probe body 2 are shown. Support grid elements 38, which improve the mechanical stability of the X-ray window 19, are also shown schematically.
  • a probe body 2 is shown, which can include an X-ray source 4, not shown, and a detector 5, also not shown (see FIG. 1).
  • the probe body 2, in particular the components arranged in the probe body 2, is connected to an external system 39 via a logging cable 17, which at the same time forms a holding cable of the probe body 2.
  • This external system 39 includes, for example, a drive device for transmitting a tensile force to the holding and logging cable 17.
  • the external system can include an evaluation device 8, which communicates data and/or signaling via the holding and logging cable 17 with, for example, the detector 5 of the Probe body 2 is connected.
  • This evaluation device 8 can be designed for the element analysis explained above and for determining the specific density and/or for determining the distance between the probe body 2 and the borehole wall 11.
  • FIG. 11 shows a schematic flow diagram of a method according to the invention for operating an RF well probe system 1 according to one of the embodiments described in this disclosure.
  • a first step S1 X-rays are generated by an X-ray source 4 (see, for example, FIG. 1) and emitted out of the probe body 2.
  • a second step S2 the one from this Emitted radiation excited fluorescent radiation and / or the explained scattered radiation is detected with a detector 5.
  • the output signals generated by the detector 5 when this radiation is received are evaluated by an evaluation device 8.
  • the evaluation device 8 also determines a specific density of the irradiated material. Alternatively or cumulatively, a distance between the probe body 2 and the borehole wall 12 is determined.
  • an elemental analysis of the irradiated material is then carried out by the evaluation device or by a higher-level system.
  • output signals generated by the detector can be stored, in particular in a time-referenced manner. It is also possible for information generated by the evaluation to also be saved.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft RF-Bohrlochsondensystem und Verfahren zum Betrieb eines RF- Bohrlochsondensystems, umfassend mindestens - einen Sondenkörper (2), - eine Röntgenstrahlungsquelle (4), die in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist, - einen Detektor (5) für Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung, wobei der Detektor (5) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist, eine Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung der vom Detektor (5) erzeugten Ausgangssignale, wobei die Auswerteeinrichtung (8) zur Elementanalyse des bestrahlten Materials ausgebildet ist, wobei die Auswerteeinrichtung (8) zusätzlich zur Bestimmung der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials und/oder zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper (2) und einer Bohrlochwand (12) ausgebildet ist.

Description

RF-Bohrlochsondensystem und Verfahren zum Betrieb einer RF-Bohrlochsonde
Die Erfindung betrifft ein RF (Röntgenfluoreszenz)-Bohrlochsondensystem sowie ein Verfahren zum Betrieb einer RF-Bohrlochsonde.
Um festzustellen, ob der Abbau der Mineralien wirtschaftlich günstig ist, wird bei einer Mineralprospektion die chemische und mineralogische Zusammensetzung von Gesteinen analysiert. Hierzu kann ein Bohrloch in das Gestein gebohrt werden und eine Bohrlochsonde in dem Bohrloch auf- und abbewegt werden, wobei ein Sensor der Bohrlochsonde Signale aus der Sondenumgebung erfasst, die dann zur Erkennung und Konzentrationsmessung von vorhandenen Elementen ausgewertet werden können.
Bekannt sind Röntgenfluoreszenz-Bohrlochsonden, die eine Röntgenstrahlungsquelle und einen Detektor für Fluoreszenzstrahlung enthalten, wobei Ausgangssignale des Detektors zur erläuterten Erkennung und Konzentrationsmessung ausgewertet werden. Es ist wünschenswert, die Erkennung und Konzentrationsmessung, insbesondere deren Zuverlässigkeit und Genauigkeit, zu verbessern. Ebenfalls ist es wünschenswert, die Erkennung und Vermessung umweltfreundlich, sicher, kostengünstig und in kontinuierlicher Weise zu ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik bekannt ist die RU 169 39 92 C, die eine röntgenradiometrische Bohrlochmessung offenbart, die bei der Prospektion und Exploration von Mineralvorkommen verwendet wird. Diese Druckschrift beschreibt auch, dass ein Molybdängehalt in Gestein und Erzen bestimmt werden kann.
Weiter bekannt ist die EP 0 184 898 A1 , die eine Vermessung offenbart, bei der von einer Bohrlochumgebung und umgebenden Erdinformationen gestreute Strahlung analysiert wird, um Hinweise auf bestimmte vorgewählte Bohrloch- und Erdformationseigenschaften zu liefern. Die Druckschrift offenbart die Interpretation von Detektorsignalen, um Hinweise auf einen Werkzeugabstand zu erhalten.
Weiter bekannt ist die EP 2 223 166 A2, die ein Werkzeug zur Verwendung in der Kohlenwasserstoffindustrie, insbesondere ein Bohrlochabbildungswerkzeug, offenbart, das einen Röntgenstrahlgenerator verwendet. Weiter bekannt ist die CA 2 519 740 A1, die das Bohren von Bohrlöchern und das Vermessen von Bohrlöchern offenbart. Die Druckschrift offenbart insbesondere die Abschätzung von Abständen zu Schichtgrenzen.
Die GB 2 444 801 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewerten einer Formation, die ein Bohrloch umgibt, unter Verwendung eines Röntgengenerators.
Die US 4,628,202 A offenbart eine Radioaktivitäts-Bohrlochmessung und Verfahren und Vorrichtungen zum Identifizieren der Dichte und Lithologie von unterirdischen Erdformationen. Weiter offenbart die Druckschrift die Speicherung einer sogenannten Kurzraum-Zählrate und die Speicherung eines Spektrums bzw. von Zählratenspektren.
Die WO 2021/108847 A1 offenbart ein Sprenglochvermessungssystem und ein modulares Bohrlochvermessungswerkzeug.
Es stellt sich das technische Problem, ein Bohrlochsondensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Bohrlochsonde zu schaffen, die eine zuverlässige und genaue Analyse von Gestein in der Umgebung einer Bohrlochsonde ermöglichen, wobei ein solches System insbesondere auch umweltfreundlich, sicher und kostengünstig realisiert werden kann und eine kontinuierliche Messung ermöglicht.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein RF-Bohrlochsondensystem. Das System umfasst mindestens einen Sondenkörper. Dieser kann ein Gehäuse umfassen, wobei in einem Innenvolumen des Gehäuses Komponenten des Bohrlochsondensystems angeordnet sind. Das Gehäuse kann auch als Sondenhüllrohr bezeichnet werden. Der Sondenkörper, insbesondere das Gehäuse, kann aus Metall ausgebildet sein. Der Sondenkörper kann ein unteres Ende und ein oberes Ende aufweisen. Wird die Bohrlochsonde bestimmungsgemäß in ein Bohrloch eingebracht, so ist das untere Ende des Sondenkörpers entlang der Gravitationsrichtung unterhalb des oberen Endes angeordnet. Das obere Ende bezeichnet also beim bestimmungsgemäßen Einsatz im Bohrloch das oberflächennähere Ende des Sondenkörpers. An dem oberen Ende, das auch als kabelseitiges Ende bezeichnet werden kann und entlang einer Längsachse des Sondenkörpers das dem unteren Ende entgegengesetzte Ende ist, kann der Sondenkörper eine Schnittstelle zur mechanischen Befestigung eines Kabels oder Seils umfassen, welches insbesondere dazu dient, eine Antriebskraft zur Bewegung des Sondenkörpers im Bohrloch auf diesen zu übertragen, also um den Sondenkörper im Bohrloch auf- und ab zu bewegen. Die Antriebskraft kann von einer entsprechenden Einrichtung erzeugt werden, die in der Regel außerhalb des Bohrlochs angeordnet ist. So kann ein Antriebskabel oder -seil in bekannter Weise zu einer Antriebseinrichtung, beispielsweise einer angetriebenen Seilrolle, geführt werden, um die Antriebskraft zu erzeugen. Es ist auch möglich, dass am oberen Ende eine Schnittstelle zur Signal- und/oder Datenübertragung an dem Sondenkörper angeordnet ist. Die Schnittstelle kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Steckverbindung mit einem Datenkabel, welches auch als Loggingkabel bezeichnet werden kann, zu ermöglichen. Es ist vorstellbar, dass ein solches Datenkabel auch als Antriebsseil dient bzw. ein Antriebsseil auch zur Datenübertragung. So kann ein Antriebsseil beispielsweise elektrische Adern zur Signal- und/oder Datenübertragung aufweisen Allerdings ist es auch möglich, dass ein Antriebsseil und ein Datenkabel separat voneinander ausgebildet sind. Es ist möglich, dass das Sondensystem eine Kommunikationseinrichtung umfasst, die insbesondere im Sondenkörper angeordnet ist und Signale über die Schnittstelle übertragen kann. Diese Kommunikationseinrichtung kann insbesondere eine DSL-basierte Kommunikation ermöglichen. Natürlich sind auch andere Formen/Arten der Kommunikation vorstellbar.
Weiter kann der Sondenkörper eine Schnittstelle zur Herstellung einer Energieverbindung, also einer Energieversorgung von Komponenten des Sondensystems, umfassen, wobei hierdurch z.B. auch ein Aufladen einer Energiespeichereinrichtung des Sondensystems, die im Sondenkörper angeordnet sein kann, erfolgen kann. Auch diese Schnittstelle kann am oberen Ende angeordnet sein. Das Sondensystem kann also ein batteriebetriebenes Sondensystem sein, wobei die Energiespeichereinrichtung des Sondensystems, die im Sondenkörper angeordnet sein kann, Komponenten des Sondensystems mit elektrischer Energie versorgt.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem genau eine Röntgenstrahlungsquelle oder mehrere Röntgenstrahlungsquellen, die in dem Sondenkörper angeordnet ist. Diese dient zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, die dann in eine Umgebung des Sondenkörpers emittiert wird. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle als Röntgenröhre ausgebildet, wobei ein Targetmaterial der Röntgenröhre z.B. Molybdän, aber auch Rhodium oder ein anderes, dem Fachmann bekanntes Material, sein kann. Das Targetmaterial kann insbesondere ein Anodenmaterial der Röntgenröhre sein, auf welches unter Hochspannung beschleunigte Elektronen aus einer Kathode der Röntgenröhre aufprallen. Die Funktionsweise einer Röntgenröhre ist dem Fachmann hierbei bekannt. Es ist aber auch möglich, dass die Röntgenstrahlungsquelle eine piezoeffektbasierte Röntgenstrahlungsquelle oder eine laserbasierte Röntgenstrahlungsquelle ist.
Es ist möglich, dass der Sondenkörper ein oder mehrere Röntgenstrahlungsfenster aufweist, durch den von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugte Strahlung aus dem Sondenkörper hin zu einer Umgebung austreten kann.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem einen Detektor für Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung. Die Fluoreszenzstrahlung wird von der Röntgenstrahlung angeregt, die von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugt wird. Die Streustrahlung bezeichnet hierbei den zum Detektor gestreuten Anteil der von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugten Strahlung und kann auch Gammastrahlung umfassen oder sein. Das von der Röntgenstrahlungsquelle bestrahlte Material, das unter Bestrahlung die erläuterte Fluoreszenzstrahlung emittiert und/oder Streustrahlung streut, kann das Bohrlochfluid oder das durchbohrte Gestein sein, also das Material, welches das Bohrloch umgibt. Auch der Detektor ist in dem Sondenkörper, insbesondere in dem Gehäuse, angeordnet. Es ist vorstellbar, dass die Fluoreszenzstrahlung als auch die Streustrahlung von der Umgebung durch das vorhergehend erläuterte Röntgenstrahlungsfenster in den Sondenkörper eintritt und dann von dem Detektor erfasst wird. Allerdings ist es auch möglich, dass der Sondenkörper mehrere Röntgenstrahlungsfenster umfasst, wobei z.B. ein erstes Röntgenstrahlungsfenster derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass von der Röntgenstrahlungsquelle erzeugte Strahlung in die Umgebung emittiert werden kann, während ein weiteres Röntgenstrahlungsfenster derart ausgebildet und/oder angeordnet sein kann, dass aus der Umgebung Röntgen- und/oder Streustrahlung zum Detektor gestrahlt werden kann.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der vom Detektor erzeugten Ausgangssignale, wobei die Auswerteeinrichtung zur Elementanalyse des bestrahlten Materials ausgebildet ist. Eine Auswerteeinrichtung kann hierbei als Mikrocontroller oder integrierte Schaltung ausgebildet sein oder eine(n) solche(n) umfassen. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung einen sogenannten Vielkanalanalysator umfassen. Dieser dient in bekannter Weise zur Messung einer statistisch verteilten Folge von elektrischen Impulsen wechselnder Amplitude, um deren Häufigkeitsverteilung zu ermitteln. Basierend auf den Ausgangssignalen eines solchen Vielkanalanalysators kann ein Spektrum der erfassten Strahlung bestimmt werden, z.B. in Form eines Histogramms. Auch ist es möglich, dass die Auswerteeinrichtung eine Digitalisierungseinrichtung umfasst, die die Ausgangssignale des Detektors digitalisiert, insbesondere derart, dass eine computerimplementierte Signalanalyse der erzeugten Ausgangssignale durchführbar ist. Eine solche Digitalisierungseinrichtung kann insbesondere als ADC-Wandler ausgebildet sein.
Die Auswerteeinrichtung kann weiter zur Elementanalyse ausgebildet sein, wobei diese z.B. die ElementdetektionAidentifikation und gegebenenfalls auch die Elementquantifizierung umfasst. Somit kann also eine chemische Zusammensetzung des Materials der Bohrlochwand und/oder des Bohrlochfluids erfolgen. Die Elementanalyse kann basierend auf dem Spektrum, also einem spektralen Profil, der vom Detektor detektierten Strahlung durchgeführt werden. Für die Analyse können insbesondere sogenannte Spektrallinien in einem niederenergetischen Bereich, vorzugsweise einem Bereich von 0 keV (ausschließlich) bis 45 keV (einschließlich) erfolgen. Der Bereich kann aber auch von 0 KeV (ausschließlich) bis zu einem Wert größer als 45 keV reichen. Als Spektrallinie kann ein lokales Maximum im Spektrum bezeichnet werden. Einer Spektrallinie kann eine Intensität und eine Breite zugeordnet sein. Somit kann die Spektrallinie einen (schmalen) Frequenzbereich umfassen, dessen Halbwertsbreite als Breite der Spektrallinie bezeichnet werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinrichtung zusätzlich zur Bestimmung einer spezifischen Dichte des bestrahlten Materials ausgebildet. Alternativ oder kumulativ ist die Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines Abstands zwischen dem Sondenkörper und einer Bohrlochwand ausgebildet.
Die spezifische Dichte kann aus dem spektralen Profil der detektierten Strahlung bestimmt werden, insbesondere aus einem Verlauf des Profils und/oder einer Profileigenschaft. Insbesondere kann im spektralen Profil die sogenannte Bremsstrahlung identifiziert werden, wobei die spezifische Dichte in Abhängigkeit des Verlaufs und/oder Eigenschaften, z.B. eines Intensitätsmaximums, der Bremsstrahlung bestimmt wird, insbesondere da mit der spezifischen Dichte auch das energetische Maximum der Bremsstrahlung variiert. Die Bestimmung der spezifischen Dichte kann vorzugsweise zuordnungsbasiert erfolgen. Hinzu können verschiedene spezifische Dichten verschiedenen Profilen bzw. Eigenschaften zugeordnet werden, beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung oder als Ergebnis von Vorversuchen. Diese Informationen, also Informationen über die spezifische Dichte, das Profil bzw. die Eigenschaften sowie deren Zuordnung zueinander können dann gespeichert werden, insbesondere in einer Speichereinrichtung des Sondensystems, beispielsweise in Form einer Datenbank. Dann ist es möglich, ein spektrales Profil der detektierten Strahlung, insbesondere der Bremsstrahlung, bzw. deren Eigenschaft(en) zu bestimmen und dann die spezifische Dichte als die spezifische Dichte zu bestimmen, die einem Profil bzw. Eigenschaft zugeordnet ist, das/die nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß von dem signalbasierten bestimmten Profil/Eigenschaft abweicht.
Die derart bestimmte spezifische Dichte kann dann zur Charakterisierung der Lithologie, aber auch zur Korrektur der Elementanalyse des durchbohrten Gesteins verwendet werden. Insbesondere kann ein dichtebedingter Streuungsanteil der detektierten Strahlung bei der Elementanalyse berücksichtigt werden, da sie eine spezifische Eigenschaft des bestrahlten Materials darstellt. So ändert sich die Intensität, insbesondere die spektrale Intensität, der detektierten Strahlung abhängig von der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials. So wird eine Intensität umso niedriger sein, je höher die spezifische Dichte ist. Es ist daher möglich, bei bekannter spezifischer Dichte die Intensität der detektierten Strahlung dichteabhängig zu verändern. Beispielsweise kann die Intensität für eine höhere spezifische Dichte stärker erhöht werden als für eine im Vergleich geringere spezifische Dichte. Dann kann die Elementanalyse auf Grundlage oder in Abhängigkeit der dichteabhängig korrigierten/veränderten Intensität durchgeführt werden.
Die spezifische Dichte kann auch zur Elementanalyse des Bohrlochfluids dienen, Mit anderen Worten kann also Material des Bohrlochfluids in Abhängigkeit der spezifischen Dichte bestimmt werden. Weiter kann eine hydraulische Eigenschaft oder Eigenschaftsänderung im Bohrloch, z.B. ein Zu- oder Abfluss von Bohrlochfluid, in Abhängigkeit der spezifischen Dichte bestimmt, insbesondere detektiert, werden. So ist es auch möglich, ortsreferenzierte Informationen zu Zu- oder Abflüssen im Bohrloch zu erzeugen. Eine ortsreferenzierte Information bezeichnet hierbei eine Information, der eine Ortsinformation zugeordnet ist. Die Ortsinformation kann hierbei in bekannter Weise bestimmt werden, z.B. als Tiefeninformation, wobei diese z.B. sensorgestützt bestimmt werden kann. So kann die Tiefeninformation z.B. abhängig von einer Position- /Winkelerfassungseinrichtung einer Seil-/Kabelgebereinrichtung bestimmt werden, die die Länge des Seils/Kabels im Bohrloch und somit die Tiefe einstellt. Auch ist vorstellbar, dass ein Beschleunigungssensor zur Positionsbestimmung genutzt wird. Auch kann eine Tiefeninformation mit einem Drucksensor bestimmt werden, wobei die Tiefe in Abhängigkeit eines erfassten Drucks bestimmt wird.
Der Abstand kann in Abhängigkeit einer Höhe, also einer Linienintensität, von genau einer oder von mehreren charakteristischen, insbesondere anodenmaterialspezifischen, Spektrallinien im spektralen Profil der detektierten Strahlung bestimmt werden. So kann z.B. die Linienintensität an einer oder an mehreren vorbestimmten, insbesondere anodenmaterial- und somit strahlungsquellenspezifischen, Frequenzen oder Frequenzbereichen bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit von dieser/diesen Linienintensitäten dann der Abstand bestimmt wird.
Auch diese Bestimmung kann zuordnungsbasiert erfolgen, wobei, z.B. in einem Kalibrierverfahren oder in entsprechenden Vorversuchen, verschiedene Abstände zu verschiedenen Höhen charakteristischer Spektrallinien zugeordnet werden. Hierbei kann angenommen werden, dass für verschiedene Abstände verschiedene Höhen detektierbar sind. Alternativ kann der Abstand auch triangulationsbasiert bestimmt werden. Hierbei kann ein in Abhängigkeit eines vorbestimmten oder bestimmbaren Einstrahlwinkels der emittierten Röntgenstrahlung auf die Bohrlochwand und einer Position eines von der reflektierten Strahlung erzeugten Intensitätsmaximums in einer Detektorfläche der Abstand von der Bohrlochwand bestimmt werden. Entsprechende Triangulationsverfahren sind dem Fachmann hierbei bekannt. Ebenfalls wird beschrieben, dass eine Abstandsmessung mechanisch erfolgen kann, beispielsweise über geeignete Messeinrichtungen, beispielsweise über einen Messdorn, wozu das System solche Messeinrichtungen umfassen kann. Diese können insbesondere in oder an dem Gehäuse angeordnet sein. Eine solche Abstandsmessung kann z.B. zusätzlich erfolgen und zur Korrektur oder Verbesserung der Abstandsmessung verwendet werden.
Der Abstand kann ebenfalls zur Korrektur der fluoreszenzbasierten Elementanalyse genutzt werden, insbesondere indem eine abstandsbedingte Streuung und Dämpfung der Strahlung berücksichtigt werden kann. Insbesondere kann diese abstandsbedingte Streuung und Dämpfung kompensiert oder herausgerechnet werden. So ändert sich die Intensität, insbesondere die spektrale Intensität, der detektierten Strahlung abhängig von dem Abstand. So wird eine Intensität umso niedriger sein, je höher der Abstand ist. Es ist daher möglich, bei bekanntem Abstand die Intensität der detektierten Strahlung abstandsabhängig zu verändern. Beispielsweise kann die Intensität für einen größeren Abstand stärker erhöht werden als für einen im Vergleich geringeren Abstand. Dann kann die Elementanalyse auf Grundlage oder in Abhängigkeit der abstandsabhängig korrigierten/veränderten Intensität durchgeführt werden.
Auch ist es möglich, basierend auf Abstandsinformationen zu klassifizieren, ob die ausgewertete Strahlung nur oder hauptsächlich aus dem Gestein stammt (was bei Abständen, die kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert sind, angenommen werden kann) oder ob die ausgewertete Strahlung auch mit einem zu berücksichtigendem Anteil aus dem Bohrlochfluid stammt (was bei Abständen, die größer als der oder gleich dem vorbestimmte/n Schwellwert sind, angenommen werden kann). Die vorgeschlagene Abstandsmessung ermöglicht eine Genauigkeit im Bereich kleiner als 1 mm.
Die Abstandsbestimmung kann auch zur Detektion von Ausbrüchen im Bohrloch und/oder zur Erstellung eines Bohrlochprofils dienen. Beispielsweise kann eine ortsreferenzierte Lokalisierung von Ausbrüchen im Bohrloch und damit eine Bohrlochvolumenbestimmung erfolgen.
Auch ermöglicht die Abstandsbestimmung, Teilspektren zu bilden und aus diesen ein Gesamtspektrum für die Elementanalyse zu bilden. Beispielsweise kann während einer Bewegung des Sondenkörpers im Bohrloch, insbesondere während einer Auf- oder Abwärtsbewegung als auch bei einer Seitwärtsbewegung, wiederholt, insbesondere periodisch, weiter insbesondere mit einer Frequenz von z.B. 1/ms, ein Spektrum bestimmt werden, wobei dem Spektrum ein Abstandswert zugeordnet werden kann. Dieses Spektrum kann dann als Teilspektrum bezeichnet werden. Dann kann aus allen Spektren, die insbesondere in einem vorbestimmten Zeitraum und/oder in einem vorbestimmten Positionsbereich erzeugt wurden und denen der gleiche Abstandswerte zugeordnet ist oder deren zugeordnete Abstandswerte nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen, ein resultierendes abstandsspezifisches Spektrum bestimmt werden, z.B. durch eine geeignete Mittelung oder Fusionierung. Das derart resultierende abstandsspezifische Spektrum, insbesondere die Intensitäten im Spektrum, kann dann, wie vorhergehend erläutert, abstandsabhängig korrigiert werden. Dann kann aus allen abstandskorrigierten resultierenden Spektren ein gesamtresultierendes Spektrum bestimmt werden, z.B. durch eine geeignete Mittelung oder Fusionierung, wobei dann das gesamtresultierende Spektrum zur Elementanalyse verwendet werden kann.
Die Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands kann ortsreferenziert erfolgen. Werden auch die Ausgangssignale ortsreferenziert bestimmt, so kann also die spezifische Dichte und/oder der Abstand, insbesondere bei einer nachträglichen Auswertung oder einer Auswertung off site, z.B. in einem Labor, ortsabhängig bei der Elementanalyse berücksichtigt werden.
Somit ermöglicht das vorgeschlagene Bohrlochsondensystem in vorteilhafter Weise eine genaue und zuverlässige Elementanalyse, insbesondere eine genaue und zuverlässige Elementidentifikation und Konzentrationsbestimmung. Durch die Auswertung der Ausgangssignale des Detektors zur Bestimmung der Dichte und/oder des Abstands kann diese Verbesserung auch bei einer kontinuierlichen Vermessung ermöglicht werden. Gleichzeitig wird eine sichere und umweltfreundliche Bestimmung ermöglicht. Auch kann eine ortsreferenzierte Elementanalyse erfolgen.
Es ist weiter möglich, dass der Sondenkörper mindestens ein Dezentriermittel umfasst oder ausbildet, das eine dezentrale Anordnung des Sondenkörpers im Bohrloch gewährleistet. Beispielsweise kann das Sondensystem, insbesondere der Sondenkörper, mindestens einen Federarm aufweisen oder ausbilden, der derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass ein Sondenkörper, der in ein Bohrloch eingebracht ist, von dem mindestens einen Federarm an die Bohrlochwand gedrückt wird und somit dezentral im Bohrloch angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung in dem Sondenkörper, insbesondere in dem Gehäuse des Sondenkörpers, angeordnet. In diesem Fall erfolgt die Auswertung also in dem Sondenkörper. Somit wird eine RF-Bohrlochsonde beschrieben, die den Sondenkörper, die Röntgenstrahlungsquelle, den Detektor sowie die Auswerteeinrichtung umfasst. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genaue und zuverlässige Signalauswertung, insbesondere zur Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands, da Ausgangssignale der Detektoreinrichtung nicht zu einer Auswerteeinrichtung außerhalb des Sondenkörpers übertragen werden müssen, wodurch Übertragungsverluste reduziert und somit eine Signalqualität erhalten werden kann.
In einerweiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens eine Hochspannungsquelle zur Energieversorgung der Strahlungsquelle, wobei die Hochspannungsquelle in dem Sondenkörper angeordnet ist. Die Hochspannungsquelle kann Betriebsspannungen für die Strahlungsquelle bis zu 50 kV oder sogar Betriebsspannungen größer als 50 kV erzeugen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass keine Mittel zur Übertragung der Betriebsspannung von einer Spannungsquelle außerhalb des Sondenkörpers zur Strahlungsquelle im Sondenkörper erfolgen muss, was wiederum einen einfachen Betrieb des Bohrlochsondensystems ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Hochspannungsquelle entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers näher an einem oberen Ende des Sondenkörpers als die Strahlungsquelle und/oder als der Detektor und/oder als die Auswerteeinrichtung angeordnet. Hierdurch wird eine effiziente Kühlung der Hochspannungsquelle ermöglicht und insbesondere die thermische Belastung für den Detektor und/oder die Auswerteeinrichtung reduziert. Dies ist insbesondere der Fall, da von der Strahlungsquelle und/oder der Hochspannungsquelle erzeugte thermische Energie beim bestimmungsgemäßen Betrieb durch Konvektion nach oben abgeführt wird. Insgesamt verbessert sich somit also die Zuverlässigkeit des Betriebs des vorgeschlagenen Bohrlochsondensystems in vorteilhafter Weise.
In einerweiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Signalen, insbesondere den vorhergehend erläuterten Impulsen, die vom Detektor registriert werden. Insbesondere können diese Signale zeitreferenziert gespeichert werden. Somit kann z.B. gespeichert werden, welches Signal/welcher Impuls zu welchem Zeitpunkt detektiert wurde. Auch ist es möglich, dass ein Energieniveau, beispielsweise in keV, des registrierten Signals gespeichert wird. Auch die Speichereinrichtung ist im Sondenkörper angeordnet. Dies ermöglicht in vorteilhafter weise eine Registrierung von (Röntgen)Photonen und insbesondere der von diesen im Detektor ausgelösten Signaländerungen, z.B. in Form von Spannungsimpulsen. Diesen Signaländerungen kann z.B. ein Zeitstempel zugeordnet werden, der ebenfalls gespeichert wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine spätere Auswertung, beispielsweise eine Auswertung off site, also außerhalb des Bohrlochs, vereinfacht. Durch die Speicherung von zusätzlichen Informationen ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch bei einer gestörten oder unterbrochenen Datenverbindung zu einem späteren Zeitpunkt Daten ausgewertet und insbesondere einer Ortsinformation zugeordnet werden können.
Die beschriebene Speichereinrichtung oder eine weitere Speichereinrichtung kann (auch) zur Speicherung von durch die Auswerteeinrichtung verarbeiteten Daten oder Datensätzen dienen, wobei eine weitere Speichereinrichtung ebenfalls im Sondenkörper angeordnet sein kann. Beispielsweise kann somit ein Spektrum oder ein Teil davon gespeichert werden, welches durch Auswertung der detektierten Signale bestimmt wurde. Auch ist es möglich, die erläuterte spezifische Dichte und/oder den Abstand zu speichern. Dies kann insbesondere ortsreferenziert erfolgen, wobei den entsprechenden Informationen eine Ortsinformation, beispielsweise eine räumliche Position, insbesondere eine Tiefeninformation, zugeordnet werden und ebenfalls gespeichert werden kann. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, dass ein Element identifiziert und/oder eine Elementkonzentration bestimmt und entsprechende Elementinformationen gespeichert werden. Die derart gespeicherten Informationen können von den Speichereinrichtungen in den Sondenkörper insbesondere über die erläuterte Daten- und/oder Signalschnittstelle an ein externes System übertragen werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens ein Röntgenstrahlungsfenster, welches in einer Außenwand des Sondenkörpers angeordnet ist. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Das Röntgenstrahlungsfenster ist aus einem für Röntgenstrahlung transmissiven Material ausgebildet. Ein solches Material kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, PP, PEEK, TPU, Borsilikat oder Diamant oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Materialien sein. Auch ist es möglich, dass das Material eine Kombination von einem der angeführten Materialien mit mindestens einem weiteren, nicht explizit angeführten Material ist. Weiter weist das Röntgenstrahlungsfenster eine hydrophobe äußere Oberfläche auf oder ist mit einer hydrophoben Schicht beschichtet. Die Beschichtung kann eine Nanobeschichtung sein. Insbesondere kann also die Oberfläche einen Lotos-Effekt bereitstellen, wodurch diese äußere Oberfläche nur in einem sehr geringen Maß durch Flüssigkeiten benetzbar ist. Hierzu kann die mikro- und nanoskopische Architektur der Oberfläche entsprechend ausgebildet sein. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die Emission von Röntgenstrahlung aus dem Sondenkörper heraus möglichst wenig von Flüssigkeiten beeinflusst wird, wodurch sich wiederum eine Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Elementanalyse verbessern.
Alternativ oder kumulativ zur hydrophoben äußeren Oberfläche ist die äußere Oberfläche des Röntgenstrahlungsfensters mit einem Aerogelmaterial beschichtet. Die Beschichtung mit dem Aerogelmaterial kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass ein Aerogelkissen auf das Röntgenstrahlungsfenster aufgeklebt oder anderweitig daran befestigt ist. Eine Dicke der Beschichtung kann bis zu 1 mm betragen. Ein Aerogel kann hierbei einen offenporigen, nanostrukturierten Werkstoff bezeichnen. Insbesondere kann ein hydrophobes Aerogelmaterial zur Beschichtung genutzt werden. Es ist möglich, dass ein vorbestimmter Prozentsatz des Volumens des Aerogelmaterials, beispielsweise bis zu 95 %, aus Poren besteht. Bevorzugt ist das Aerogelmaterial ein Material auf Silikatbasis. Auch hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine geringe Beeinflussung der aus dem Sondenkörper emittierten Strahlung.
Weiter alternativ oder kumulativ ist das Röntgenstrahlungsfenster durch eine Stützstruktur stabilisiert. Die Stützstruktur kann wabenartig sein und/oder Stützstege umfassen, wobei eine mechanische Festigkeit oder mechanische Steifigkeit des Röntgenstrahlungsfensters mit der Stützstruktur größer ist als des Röntgenstrahlungsfensters ohne Stützstruktur. Auch kann eine mechanische Festigkeit oder mechanische Steifigkeit der Stützstruktur größer sein als das verbleibende Fenstermaterial. Auch das Material der Stützstruktur kann hierbei für Röntgenstrahlung transmissiv sein. Es ist möglich, dass die Stützstruktur aus dem gleichen Material wie das verbleibende Fenstermaterial ausgebildet ist, wobei jedoch die Stützstruktur andere mechanische Eigenschaften als das verbleibende Material aufweisen kann. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hohe Stabilität des Röntgenstrahlungsfensters und somit hohe Betriebssicherheit beim Betrieb des Bohrlochsondensystems.
In einerweiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens einen Gasauslass, wobei der Gasauslass derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass ein Gasvorhang oder Gaskissen vor dem Röntgenstrahlungsfenster durch den Auslass von Gas aus dem Gasauslass erzeugbar ist. Das Gas kann insbesondere Luft oder ein inertes Gas sein. Der Auslass kann derart angeordnet sein, dass Gas beim bestimmungsgemäßen Einsatz/Einbringen der Sonde in ein Bohrloch an dem Röntgenstrahlungsfenster vorbeiströmt. Beispielsweise kann der Auslass entlang der zentralen Längsachse des Sondenkörpers näher an einem unteren Ende des Sondenkörpers als das Röntgenstrahlungsfenster angeordnet sein. In diesem Fall kann ausströmendes Gas am Röntgenstrahlungsfenster aufgrund des Auftriebs vorbeiströmen. Auch hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass aus dem Sondenkörper von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung möglichst wenig von Bohrlochmaterial beeinflusst wird.
Es ist weiter möglich, dass das Bohrlochsondensystem, insbesondere der Sondenkörper, eine Rückhalteeinrichtung aufweist oder ausbildet, die eine Zeitdauer bis zum Entweichen des Gases aus einem Raumvolumen vor dem Röntgenstrahlungsfenster im Vergleich zu einer Ausbildung ohne Rückhalteeinrichtung verlängert. Eine solche Rückhalteeinrichtung kann beispielsweise als von einer Außenseite des Sondenkörpers abstehende Struktur ausgebildet sein.
Umfasst das Bohrlochsondensystem einen Gasauslass, so ist es möglich, dass das vorgeschlagene System auch mindestens eine weitere pneumatische Einrichtung, beispielsweise eine Pumpe und/oder einen Gasspeicher, umfasst, wobei diese(r) mit dem Gasauslass pneumatisch verbunden sein kann/können. Auch die weitere pneumatische Einrichtung kann im Sondengehäuse angeordnet sein.
Es ist weiter möglich, dass das Bohrlochsondensystem eine Einrichtung zur Erzeugung von Gas aus dem Bohrlochfluid umfasst. Diese Einrichtung kann ebenfalls im Sondenkörper angeordnet sein und fluidtechnisch mit dem Gasauslass verbunden sein. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Bauraumbedarf reduziert werden kann, da kein Gasspeicher zum Versorgen des Gasauslasses benötigt wird, sondern Gas direkt aus dem Bohrlochfluid erzeugt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist das RF-Bohrlochsondensystem, insbesondere der Sondenkörper, mindestens ein Bürstenelement zur Reinigung der Bohrlochwand auf oder bildet dieses aus. Ein solches Bürstenelement kann insbesondere zum Abkratzen oder Abschaben des sogenannten Filterkuchens dienen und ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zuverlässigere und genauere Elementanalyse des Gesteins, da das Bohrlochmaterial die Signalerzeugung nicht oder in einem geringeren Maße beeinflusst. Dies gilt insbesondere auch für eine elektrische, akustische oder optische Vermessung des Gesteins.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Bürstenelement bewegbar relativ zum Sondenkörper angeordnet. Beispielsweise kann das Bürstenelement beweglich am/im Sondenkörper gelagert sein. Es ist möglich, dass das Bürstenelement ein angetriebenes Bürstenelement ist, beispielsweise eine rotierendes oder linearbewegliches Bürstenelement. Eine entsprechende Antriebseinrichtung kann hierbei Teil des Bohrlochsondensystems sein und insbesondere im Sondenkörper angeordnet sein. Alternativ ist das Bürstenelement ortsfest relativ zum Sondenkörper angeordnet. In diesem Fall kann es z.B. mechanisch starr am Gehäuse angeordnet sein.
Alternativ oder kumulativ ist das mindestens eine Bürstenelement entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers näher an einem oberen Ende oder näher an einem unteren Ende des Sondenkörpers als ein Röntgenstrahlungsfenster im Sondenkörper angeordnet. Bevorzugt ist das Bürstenelement am unteren Ende des Sondenkörpers angeordnet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Entfernung des erläuterten Filterkuchens bevor das Röntgenstrahlungsfenster bei einer Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung an der derart gereinigten Stelle der Bohrlochwand vorbeigeführt wird, wodurch die aus dem Sondenkörper emittierte Strahlung möglichst wenig durch den Filterkuchen beeinflusst wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das RF-Bohrlochsondensystem mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor zur hyperspektralen Materialanalyse. Die Lichtquelle kann insbesondere eine Infrarotlichtquelle und der Lichtdetektor ein Infrarotlichtdetektor sein. Die Wellenlänge der Infrarotstrahlung kann im Bereich von 400 nm bis 2000 nm liegen. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung oder eine weitere Auswerteeinrichtung des Bohrlochsondensystems zur hyperspektralen Materialanalyse ausgebildet sein. Hierdurch kann zusätzlich zur RF-basierten Elementanalyse auch eine Mineralanalyse erfolgen. Es ist vorstellbar, dass das von der Lichtquelle erzeugte Licht durch ein Fenster des Sondenkörpers aus diesem hinaus gestrahlt wird, welches vom Röntgenstrahlungsfenster verschieden ist. Dieses Fenster kann insbesondere ein Acrylglasfenster und näher an dem unteren Ende des Sondenkörpers als das Röntgenstrahlungsfenster angeordnet sein. Alternativ oder kumulativ umfasst das Bohrlochsondensystem mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle und mindestens einen Detektor für die gestreute monochromatische Strahlung zur Raman-spektroskopischen Materialanalyse. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung oder eine weitere Auswerteeinrichtung des Bohrlochsondensystems zur Raman-spektroskopischen Materialanalyse ausgebildet sein. Es ist vorstellbar, dass die von der monochromatischen Strahlungsquelle erzeugte Strahlung durch ein Fenster des Sondenkörpers aus diesem hinaus gestrahlt wird, welches vom Röntgenstrahlungsfenster verschieden ist.
Weiter alternativ oder kumulativ umfasst das Bohrlochsondensystem mindestens eine optische Strahlungsquelle, die Strahlung mit Wellenlängen des Hyperspektralspektrums, vorzugsweise mit einem Wellenlängen aus einem Spektrum von 350 bis 800 nm, emittiert und mindestens einen Detektor für die gestreute von der optischen Strahlungsquelle erzeugten Strahlung zur Materialanalyse basierend auf optischer Fluoreszenz. Die spektrale Auflösung kann im Bereich von nm liegen, z.B. im Bereich von 3 nm bis 10 nm. In dieser Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung oder eine weitere Auswerteeinrichtung des Bohrlochsondensystems zur Materialanalyse basierend auf optischer Fluoreszenz ausgebildet sein. Es ist vorstellbar, dass die von der optischen Strahlungsquelle erzeugte Strahlung durch ein Fenster des Sondenkörpers aus diesem hinaus gestrahlt wird, welches vom Röntgenstrahlungsfenster verschieden ist.
Die durch den mindestens einen erläuterten Detektor erzeugten Ausgangssignale und/oder die von einer Auswerteeinrichtung durch Materialanalyse erzeugten Informationen können hierbei in der genannten Speichereinrichtung oder einer weiteren Speichereinrichtung des Bohrlochsondensystems gespeichert werden, insbesondere in orts- und/oder zeitreferenzierter Weise, z.B. um eine Auswertung off site, z.B. im Labor, zu ermöglichen.
Es ist auch möglich, dass die durch die erläuterte Materialanalyse erzeugten Informationen und die durch die Elementanalyse basierend auf der erläuterten Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung bestimmten Elementinformationen in einander zugeordneter Weise gespeichert werden.
Weiter kann das vorgeschlagene Bohrlochsondensystem mindestens einen Lüfter umfassen, der insbesondere im Sondenkörper angeordnet sein kann. Der Lüfter kann hierbei unter oder über einer Leiterplatte angeordnet sein, wobei die Auswerteeinrichtung auf der Leiterplatte angeordnet ist.
Weiter ist es möglich, dass das Bohrlochsondensystem einen Kühlbehälter umfasst oder ausbildet, der insbesondere im Sondenkörper angeordnet sein kann. Dieser Kühlbehälter kann insbesondere an einem unteren Ende des Sondenkörpers angeordnet sein. Der Kühlbehälter dient zur Aufnahme eines Kühlmaterials, beispielsweise Eis. Weiter kann der Kühlbehälterteil eines Kühlsystems des Bohrlochsondensystems, insbesondere des Sondenkörpers, sein. Das Kühlsystem kann mindestens einen Kühlfinger umfassen, der beispielsweise thermisch mit dem Kühlbehälter, insbesondere mit dem Kühlmaterial im Kühlbehälter, verbunden ist. Der Kühlfinger kann zur Kühlung der Luft im Sondenkörper dienen. Hierdurch kann das Bohrlochsondensystem auch bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden und eine zuverlässige und genaue Materialanalyse ermöglichen.
Weiter ist es möglich, dass Bohrlochsondensystem mindestens einen Lüfter umfasst, wobei dieser insbesondere in dem Sondenkörper angeordnet sein kann. Der mindestens eine Lüfter ist hierbei derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass eine Trägerplatine und darauf/daran angeordnete Bauteile, z.B. die Auswerteeinrichtung und/oder die Speichereinrichtung, zur Kühlung von einem Luftstrom angeströmt werden können, der vom Lüfter erzeugt wird. Insbesondere kann ein oder können mehrere Lüfter derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass ein zirkulärer Luftstrom um die Trägerplatine herum, also auch oberhalb und unterhalb der Trägerplatine, erzeugt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bohrlochsondensystem einen Wassersensor zur Detektion eines im Wasser befindlichen Zustands des Sondenkörpers. Dieser Wassersensor kann beispielsweise ein erstes Ausgangssignal erzeugen, wenn sich der Sondenkörper unter Wasser und weiteres Ausgangssignal erzeugen, wenn sich der Sondenkörper nicht unter Wasser befindet. Wird das erste Ausgangssignal erzeugt, so kann beispielsweise ein Gasauslass aus der vorhergehend erläuterten Auslassöffnung aktiviert werden. Auch kann eine Auswertung an einen Unterwasserzustand angepasst werden.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genauere und zuverlässigere Materialanalyse beim Einsatz des Bohrlochsondensystems unter Wasser. Es ist möglich, dass alle Komponenten im Sondengehäuse mit einer vorbestimmten räumlichen Relativanordnung zueinander angeordnet sind, die dann bei der Auswertung, insbesondere bei der Element- und Mineralanalyse berücksichtigt werden kann.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird in Abhängigkeit der vom Detektor erzeugten Ausgangssignale eine spezifische Dichte des bestrahlten Materials und/oder ein Abstand zwischen dem Sondenkörper und einer Bohrlochwand bestimmt. Dies und entsprechende technische Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert. Selbstverständlich kann zusätzlich zur Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands auch eine Elementanalyse, insbesondere die erläuterte Elementidentifikation und Konzentrationsbestimmung, in Abhängigkeit der vom Detektor erzeugten Ausgangssignale erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Elementanalyse zur Berücksichtigung bzw. in Abhängigkeit der spezifischen Dichte und/oder des Abstands durchgeführt. Wie vorhergehend bereits erläutert können sich die spezifische Dichte und/oder der Abstand auf das spektrale Profil der vom Detektor empfangenen Strahlung auswirken. Ist die spezifische Dichte und/oder der Abstand bekannt, so kann das spektrale Profil korrigiert werden, wodurch wiederum eine genauere und zuverlässige Elementanalyse ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden Ausgangssignale des Detektors, insbesondere in zeitreferenzierter Weise, gespeichert. Dies und entsprechende technische Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert.
In einer weiteren Ausführungsform wird Strahlung einer Strahlungsquelle des Bohrlochsondensystems erzeugt, welche von der Röntgenstrahlungsquelle verschieden ist. Diese Strahlung wird emittiert. Die Strahlung kann, wie vorhergehend erläutert, Infrarotstrahlung, monochromatische Strahlung oder eine optische Strahlung sein. Die gestreute Strahlung kann detektiert und in Abhängigkeit der detektierten Strahlung eine Materialanalyse durchgeführt werden. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bohrlochsondensystem,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bohrlochsondensystem in einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Sondenkörper im Bereich der Röntgenstrahlungsquelle,
Fig. 4 einen weiteren schematischen Querschnitt durch einen Sondenkörper im Bereich der Röntgenstrahlungsquelle,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch eine Sondenhalterung,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Bürstenelements,
Fig. 7 einen weiteren schematischen Längsschnitt durch einen Sondenkörper im Bereich eines Röntgenstrahlungsfensters,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Röntgenstrahlungsfensters,
Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bohrlochsondensystems in einer weiteren Ausführungsform und
Fig. 10 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Bohrlochsondensystems.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Sondenkörper 2 eines erfindungsgemäßen RF-Bohrlochsondensystems 1. Der Sondenkörper 2 umfasst ein Sondenhüllrohr 3 und ein Röntgenstrahlungsfenster 19, welches im Sondenhüllrohr 3 angeordnet ist und eine Transmission von Röntgenstrahlung aus dem Inneren des Sondenhüllrohrs 3 heraus in die Umgebung als auch die Transmission von Röntgen- und/oder Streustrahlung aus der Umgebung in das Innere des Sondenhüllrohrs 3 hinein zulässt. Das Bohrlochsondensystem 1 umfasst weiter eine Röntgenstrahlungsquelle 4, die in dem Sondenkörper 2, insbesondere dem Sondenhüllrohr 3, angeordnet ist und einen Detektor 5, der ebenfalls in dem Sondenkörper 2 angeordnet ist und zur Detektion von Fluoreszenzstrahlung, die von emittierter Röntgenstrahlung angeregt wird, und/oder von der Umgebung gestreuten Röntgenstrahlung (Streustrahlung) ausgebildet ist, wobei die emittierte Strahlung von der Röntgenstrahlungsquelle 4 erzeugt wird. Mit anderen Worten erzeugt die Röntgenstrahlungsquelle 4 die Röntgenstrahlung und emittiert diese in eine Umgebung des Sondenkörpers 2, insbesondere in ein Bohrlochfluid 6 und in das durchbohrte Gestein 7 (siehe Fig. 3). In einem trockenen Bohrloch wird die Strahlung in die Luft im Bohrloch emittiert. In dem Bohrlochfluid 6 bzw. der Luft und/oder dem Gestein 7 wird dann Fluoreszenzstrahlung angeregt und/oder die emittierte Röntgenstrahlung gestreut und zurück zum Sondenkörper 3 gestrahlt, wobei diese Strahlung dann durch den Detektor 5 detektiert wird. Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem 1 eine Auswerteeinrichtung 8, die ebenfalls in dem Sondenkörper 2 angeordnet ist. Weiter dargestellt ist eine Speichereinrichtung 9, die ebenfalls im Sondenkörper 3 angeordnet und datentechnisch mit der Auswerteeinrichtung 8 verbunden ist.
Weiter umfasst das Bohrlochsondensystem eine Hochspannungsquelle 10, die eine Betriebsspannung für die Röntgenstrahlungsquelle 4, die insbesondere als Röntgenröhre, vorzugsweise als Molybdän-Röntgenröhre, ausgebildet sein kann, erzeugt bzw. bereitstellt.
Das Bohrlochsondensystem umfasst ebenfalls Bürstenelemente 11 , die an einer Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 angeordnet sind und zur Reinigung der Bohrlochwand 12 (siehe Fig. 3) dienen.
In Fig. 1 ist ein unteres Ende 13 und ein oberes Ende 14 des Sondenkörpers 2 dargestellt, wobei das obere Ende 14 bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz des Sondenkörpers 2 im Bohrloch 15 (siehe z.B. Fig. 9) das oberflächennähere Ende des Sondenkörpers 2 ist. Am oberen Ende 14 des Sondenkörpers 2 ist eine Schnittstelle 16 zur mechanischen Befestigung eines Haltekabels 17 (siehe ebenfalls Fig. 9) und zur Herstellung einer Signalverbindung mit einem externen System, z.B. zum Anschluss eines sogenannten Loggingkabels, angeordnet. Es ist möglich, dass das Haltekabel 17 elektrische Adern aufweist, die zur Signalübertragung geeignet sind, wodurch das Haltekabel 17 das erwähnte Loggingkabel bildet. In Fig. 1 ist dargestellt, dass die Röntgenstrahlungsquelle 10 entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers 2 näher am oberen Ende 14 des Sondenkörpers a2 als die Strahlungsquelle 4, der Detektor 5 und die Auswerteinrichtung 8 angeordnet ist.
Die Auswerteeinrichtung 8, die einen Mikrocontroller oder eine integrierte Schaltung umfassen oder als solche(r) ausgebildet sein kann, kann die vom Detektor 5 erzeugten Ausgangssignale auswerten. Durch die Auswertung kann insbesondere ein Spektrum der vom Detektor s empfangenen Strahlung bestimmt werden. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung einen Vielkanalanalysator umfassen. Weiter kann die Auswerteeinrichtung 8, insbesondere basierend auf dem Spektrum und dessen Eigenschaften, eine Elementanalyse des bestrahlten Materials durchführen. Insbesondere kann die Auswerteinrichtung 8 ein Element identifizieren und dessen Konzentration im bestrahlten Material bestimmen.
Zusätzlich ist die Auswerteeinrichtung 8 zur Bestimmung der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials ausgebildet. Alternativ oder kumulativ ist die Auswerteeinrichtung 8 zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper 2 und der Bohrlochwand 12 ausgebildet. Die erläuterte Elementanalyse kann hierbei in Abhängigkeit der mit der Auswerteeinrichtung 8 bestimmten spezifischen Dichte und/oder in Abhängigkeit des mit der Auswerteeinrichtung 8 bestimmten Abstands durchgeführt werden. Die Speichereinrichtung 9 dient zur Speicherung der vom Detektor 5 registrieren Signale, insbesondere in zeitreferenzierter Weise. Auch kann die Speichereinrichtung 9 oder eine weitere, nicht dargestellte Speichereinrichtung zur Speicherung von bereits durch die Auswerteeinrichtung 8 verarbeiteten Daten oder Datensätzen dienen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Sondenkörper 2 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das Bohrlochsondensystem 1 , insbesondere der Sondenkörper 2, Federelemente 18 zur Dezentrierung des Sondenkörpers 2 in einem Bohrloch 15. Die Federelemente 18 sind in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform als Bogenfederelemente ausgebildet, wobei die beiden Enden eines Federelements 18 an der Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 befestigt. Weiter stehen die Bogenfederelemente 18 von der Außenseite ab. Bei der Einbringung in ein Bohrloch 15 (siehe Fig. 9) pressen die Federelemente 18 den Sondenkörper 2 an die Bohrlochwand 12. Hierdurch kann in vorteilhafter weise gewährleistet werden, dass möglichst wenig Bohrlochfluid 6 zwischen dem Röntgenstrahlungsfenster 19 und der Bohrlochwand 12 angeordnet ist. Hierzu sind die Federelemente 18 an einem Teilbereich der Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 angeordnet, der den Bereich mit dem Röntgenstrahlungsfenster 19 gegenüberliegt.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich des Sondenkörpers 2. Dargestellt ist eine Röntgenröhre 20, die Röntgenstrahlung durch eine Schlitzblende 21 und durch ein Röntgenfenster 19 aus dem Sondenkörper 2 hinaus emittiert. Durch eine Strichlinie eingefasst ist ein Primärstrahlengang 25 einer emittierten Röntgenstrahlung dargestellt. Weiter dargestellt ist ein Detektor 4 sowie ein durch eine Strichpunktlinie eingefasster Erfassungsbereich des Detektors 4. Dieser empfängt von außen in den Sondenkörper 2 durch das Röntgenstrahlungsfenster 19 eintretende Strahlung, insbesondere die Fluoreszenz- und/oder Streustrahlung, die im bestrahlten Material durch die von der Strahlungsquelle 5 erzeugte Röntgenstrahlung angeregt wird.
Weiter dargestellt ist das durchbohrte Gestein 7 und ein Bohrlochfluid 6, welches zwischen dem Sondenkörper 2 und der von dem durchbohrten Gestein 7 gebildeten Bohrlochwand 12 angeordnet ist. Weiter dargestellt ist eine Schirmplatte 22, die zwischen der Röntgenröhre 20 und dem Detektor 4 angeordnet ist und verhindert, dass von der Röntgenröhre 20 emittierte Strahlung vom Detektor 4 empfangen wird. Es ist möglich, dass die Röntgenröhre 20 und der Detektor 4 entlang einer Querachse des Sondenkörpers 2, die z.B. senkrecht zu der Zeichenebene orientiert sein kann, versetzt zueinander angeordnet sind. Somit können auch Erfassungsbereiche entlang dieser Querachse versetzt zueinander angeordnet sein.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Sondenkörper 2 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist wiederum die Röntgenröhre 20, die z.B. als Seitfensterröhre ausgebildet sein kann. Eine Anode der Röntgenröhre kann hierbei mit einem Referenz- oder Massepotential verbunden sein, welches z.B. das Potential des Sondenhüllrohrs 3 sein kann. Eine Kathode kann mit einer Hochspannungsquelle 10 verbunden sein. Weiter dargestellt ist eine Schnittstelle 23 zur Steuerung einer Hochspannungsquelle 10, die einen Glasfaserkabelanschluss und einen Anschluss zur elektrischen Versorgung der Hochspannungsquelle 10 bereitstellen kann. Diese ist über einen Kabelkanal 24 mit der Hochspannungsquelle 10 verbunden. In dem Kabelkanal 24 kann auch eine Trägerplatine der Schnittstelle 23 angeordnet sein. Weiter dargestellt ist die Schlitzblende 21, die beispielsweise aus Molybdän ausgebildet sein kann. Schematisch dargestellt ist ein Strahlengang 25 von der Röntgenröhre 20 erzeugten Röntgenstrahlung. Weiter dargestellt ist ein Glimmerröhrchen 26, in dem die Röntgenröhre 20 angeordnet ist und welches zur elektrischen Isolation komplett vergossen ist.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Schnittstelle 16, welche am oberen Ende eines Sondenkörpers 2 (siehe z.B. Fig. 1) angeordnet sein kann. Die Schnittstelle 16 umfasst eine 4-polige Anschlusseinrichtung 27. Diese ist in einer von der Schnittstelle 16 ausgebildeten Durchgangsöffnung 28 angeordnet. Weiter dargestellt ist, dass die 4-polige Anschlusseinrichtung 27 über einen Dichtring 29 und ein Distanzstück 30 mit einem Außengewindeelement 31 verbunden ist. Das Außengewindeelement 31 kann in ein in der Durchgangsöffnung 28 angeordnetes Innengewinde der Schnittstelle 16 eingeschraubt werden. Ferner dargestellt sind Außengewindeabschnitte 32, 33 der Schnittstelle 16, wobei ein erstes Außengewinde 32 zum Anschluss eines Halte- und Loggingkabels 17 (siehe Fig. 9) dient und ein zweites Außengewinde 33 zum Einschrauben der Schnittstelle 16 in den Sondenkörper 2. Die Schnittstelle 16 kann aus Titan ausgebildet sein.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bürstenelements 11. Dieses Bürstenelement 11 weist an einer äußeren Oberfläche Nuten 34 bzw. Einkerbungen auf, deren zentrale Mittelachsen schräg zu einer zentralen Längsachse des Bürstenelements 11 orientiert ist. Gleitet dieses Bürstenelement 11 an einer Bohrlochwand 12 (siehe z.B. Fig. 3) entlang, so kann von der Bohrlochwand 12 abgekratztes Material in den Nuten 34 eintreten und entlang den Nuten 34 transportiert werden.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil des Sondenkörpers 2 im Bereich des Röntgenstrahlungsfensters 19. Dargestellt ist ein Gasauslasselement 35, das mit einem Gasspeicher 36, der im Sondenkörper 2 angeordnet ist, fluidtechnisch verbunden ist. Der Gasauslass 35 ist hierbei, rein exemplarisch, an einer Außenseite des Sondenhüllrohrs 3 angeordnet. Wird der Gasauslass 35 fluidtechnisch mit dem Gasspeicher 36 verbunden und mit Gas beaufschlagt, so erzeugt der Gasauslass 35 einen Gasvorhang oder ein Gaskissen vor dem Röntgenstrahlungsfenster 19, insbesondere vor einer Außenseite des Röntgenstrahlungsfensters 19.
Alternativ oder kumulativ kann zur Bereitstellung eines solchen Gasvorhangs oder Gaskissens kann das Röntgenstrahlungsfenster 19 eine hydrophobe äußere Oberfläche aufweisen oder ausbilden oder mit einer hydrophoben Schicht beschichtet sein. Weiter alternativ oder kumulativ kann das Röntgenstrahlungsfenster 19, insbesondere eine äußere Oberfläche, mit einem Aerogelmaterial beschichtet sein.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Röntgenstrahlungsfensters 19, das aus einem für Röntgenstrahlung transmissiven Material ausgebildet ist. Dargestellt sind Schrauben 37 zur mechanischen Verbindung des Röntgenstrahlungsfensters 19 mit dem Sondenkörper 2 dargestellt. Schematisch dargestellt sind auch Stützgitterelemente 38, die eine mechanische Stabilität des Röntgenstrahlungsfensters 19 verbessern.
Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen RF- Bohrlochsondensystems 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist ein Sondenkörper 2, der eine nicht dargestellte Röntgenstrahlungsquelle 4 und einen ebenfalls nicht dargestellten Detektor 5 (siehe Fig. 1) umfassen kann. Der Sondenkörper 2, insbesondere die im Sondenkörper 2 angeordneten Komponenten, ist über ein Loggingkabel 17, welches gleichzeitig ein Haltekabel des Sondenkörpers 2 bildet, mit einem externen System 39 verbunden. Dieses externe System 39 umfasst beispielsweise eine Antriebseinrichtung zur Übertragung einer Zugkraft auf das Halte- und Loggingkabel 17. Weiter kann das externe System eine Auswerteeinrichtung 8 umfassen, die daten- und/oder signaltechnisch über das Halte- und Loggingkabel 17 mit z.B. dem Detektor 5 des Sondenkörpers 2 verbunden ist. Diese Auswerteeinrichtung 8 kann zur vorhergehend erläuterten Elementanalyse sowie zur Bestimmung der spezifischen Dichte und/oder zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper 2 und der Bohrlochwand 11 ausgebildet sein.
Fig. 11 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems 1 gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird in einem ersten Schritt S1 von einer Röntgenstrahlungsquelle 4 (siehe z.B. Fig. 1) Röntgenstrahlung erzeugt und aus dem Sondenkörper 2 herausemittiert. In einem zweiten Schritt S2 wird die von dieser emittierten Strahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung und/oder die erläuterte Streustrahlung mit einem Detektor 5 detektiert. In einem dritten Schritt S3 werden die vom Detektor 5 bei Empfang dieser Strahlung erzeugten Ausgangssignale von einer Auswerteeinrichtung 8 ausgewertet. Im dritten Schritt S3 wird von der Auswerteeinrichtung 8 auch eine spezifische Dichte des bestrahlten Materials bestimmt. Alternativ oder kumulativ wird ein Abstand zwischen dem Sondenkörper 2 und der Bohrlochwand 12 bestimmt. In Abhängigkeit der spezifischen Dichte und/oder des Abstands wird dann eine Elementanalyse des bestrahlten Materials der Auswerteeinrichtung oder von einem übergeordneten System durchgeführt. Zeitgleich zur oder nach der Auswertung können vom Detektor s erzeugten Ausgangssignale gespeichert werden, insbesondere in zeitreferenzierter Weise. Weiter ist es möglich, dass durch die Auswertung erzeugte Informationen ebenfalls gespeichert werden.
Bezugszeichenliste
1 RF-Bohrlochsondensystem
2 Sondenkörper
3 Sondenhüllrohr
4 Röntgenstrahlungsquelle
5 Detektor
6 Bohrlochfluid
7 Gestein
8 Auswerteeinrichtung
9 Speichereinrichtung
10 Hochspannungsquelle
11 Bürstenelement
12 Bohrlochwand
13 unteres Ende
14 oberes Ende
15 Bohrloch
16 Schnittstelle
17 Halte- und Loggingkabel
18 Federelement
19 Röntgenstrahlungsfenster
20 Röntgenröhre
21 Schlitzblende
22 Schirmplatte
23 Schnittstelle
24 Kabelkanal
25 Ausgang
26 Glimmerröhre
27 Anschlusseinrichtung
28 Durchgangsöffnung
29 Dichtelement
30 Abstandselement
31 Außengewindeelement
32 Außengewinde
33 Außengewinde Nut Gasauslass Gasspeicher Schraube Stützsteg externes System erster Schritt zweiter Schritt dritter Schritt

Claims

Patentansprüche
1. RF-Bohrlochsondensystem, umfassend mindestens
- einen Sondenkörper (2),
- mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle (4), die in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist,
- einen Detektor (5) für Fluoreszenz- und Streustrahlung, wobei der Detektor (5) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist,
- eine Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung der vom Detektor (5) erzeugten Ausgangssignale, wobei die Auswerteeinrichtung (8) zur Elementanalyse des bestrahlten Materials ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) zusätzlich zur Bestimmung der spezifischen Dichte des bestrahlten Materials und/oder zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Sondenkörper (2) und einer Bohrlochwand (12) ausgebildet ist.
2. RF-Bohrlochsondensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist.
3. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass RF-Bohrlochsondensystem (1) mindestens eine Hochspannungsquelle (10) zur Energieversorgung der Röntgenstrahlungsquelle (4) umfasst, wobei die Hochspannungsquelle (10) in dem Sondenkörper (2) angeordnet ist.
4. RF-Bohrlochensondensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsquelle (10) entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers (2) näher an einem oberen Ende (14) des Sondenkörpers (2) als die Röntgenstrahlungsquelle (4) und/oder als der Detektor (5) und/oder als die Auswerteeinrichtung (8) angeordnet ist.
5. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochsondensystem (1) eine Speichereinrichtung (9) zur Speicherung der vom Detektor (5) registrierten Signalen, insbesondere von zeitreferenzierten Signalen, umfasst, wobei die Speichereinrichtung (9) im Sondenkörper (2) angeordnet ist. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) mindestens ein Röntgenstrahlungsfenster (19) umfasst, welches in einer Außenwand des Sondenkörpers (2) angeordnet ist, wobei das Röntgenstrahlungsfenster (19)
- Aus einem für Röntgenstrahlung transmissiven Material ausgebildet ist und/oder
- eine hydrophobe äußere Oberfläche aufweist oder mit einer hydrophoben Schicht beschichtet ist und/oder
- mit einem Aerogelmaterial beschichtet ist und/oder
- durch eine Stützstruktur stabilisiert ist. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) mindestens einen Gasauslass (35) umfasst, dessen Anordnung bei Gaszufuhr einen Gasvorhang oder ein Gaskissen vor dem Röntgenstrahlungsfenster (19) realisiert. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) mindestens ein Bürstenelement zur Reinigung der Bohrlochwand aufweist oder ausbildet. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bürstenelement (11)
- bewegbar oder ortsfest relativ zum Sondenkörper (2) angeordnet ist und/oder
- entlang einer zentralen Längsachse des Sondenkörpers (2) näher an einem oberen Ende (14) oder näher an einem unteren Ende (13) des Sondenkörpers (2) als ein Röntgenstrahlungsfenster (19) im Sondenkörper (2) angeordnet ist. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochsondensystem (1) - mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor zur hyperspektralen Materialanalyse und/oder
- mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle und mindestens einen Detektor für die gestreute monochromatische Strahlung zur Raman- spektroskopischen Materialanalyse
- mindestens eine optische Strahlungsquelle und mindestens einen Detektor für die gestreute monochromatische Strahlung zur Materialanalyse basierend auf optischer Fluoreszenz umfasst. RF-Bohrlochensondensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Bohrlochensondensystem (1) einen Wassersensor zur Detektion eines im Wasser befindlichen Zustands des Sondenkörpers (2) umfasst. Verfahren zum Betrieb eines RF-Bohrlochsondensystems (1) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der vom Detektor (5) erzeugten Ausgangssignale eine spezifische Dichte des bestrahlten Materials und/oder ein Abstand zwischen dem Sondenkörper (2) und einer Bohrlochwand (12) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elementanalyse unter Berücksichtigung der spezifischen Dichte und/oder des Abstands durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangssignale des Detektors (5), insbesondere zeitreferenzierte Ausgangssignale, gespeichert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Infrarotstrahlung erzeugt und emittiert wird, wobei gestreute Infrarotstrahlung detektiert und in Abhängigkeit der detektierten Strahlung eine Mineralanalyse durchgeführt wird und/oder wobei monochromatische Strahlung erzeugt und emittiert wird, wobei die gestreute monochromatische Strahlung detektiert und in Abhängigkeit der detektierten Strahlung eine Materialanalyse durchgeführt wird.
PCT/EP2023/070144 2022-07-22 2023-07-20 Rf-bohrlochsondensystem und verfahren zum betrieb einer rf-bohrlochsonde WO2024017997A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022207531.5 2022-07-22
DE102022207531.5A DE102022207531A1 (de) 2022-07-22 2022-07-22 RF-Bohrlochsondensystem und Verfahren zum Betrieb einer RF-Bohrlochsonde

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024017997A1 true WO2024017997A1 (de) 2024-01-25

Family

ID=87429489

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/070144 WO2024017997A1 (de) 2022-07-22 2023-07-20 Rf-bohrlochsondensystem und verfahren zum betrieb einer rf-bohrlochsonde

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022207531A1 (de)
WO (1) WO2024017997A1 (de)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2347037B2 (de) * 1973-09-19 1979-05-03 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe Meßsystem einer Bohrloch-Sonde
EP0184898A1 (de) 1984-11-05 1986-06-18 Halliburton Company Verfahren zur Durchführung einer Bohrlochuntersuchung mittels zweier Strahlungsdetektoren
US4628202A (en) 1983-04-15 1986-12-09 Dresser Industries, Inc. Method and apparatus for gamma ray well logging
CA2519740A1 (en) 2004-09-16 2006-03-16 Schlumberger Canada Limited Methods for visualizing distances between wellbore and formation boundaries
GB2444801A (en) 2006-12-15 2008-06-18 Schlumberger Holdings High voltage compact x-ray generator for oil well formation analysis
EP2223166A2 (de) 2007-12-05 2010-09-01 Schlumberger Technology B.V. Untertageabbildungswerkzeug unter verwendung eines röntgenstrahlgenerators
US20160209542A1 (en) * 2015-01-16 2016-07-21 Saudi Arabian Oil Company Inline Density and Fluorescence Spectrometry Meter
US20210156245A1 (en) * 2019-11-25 2021-05-27 Halliburton Energy Services, Inc. Sensor With Integrated Window
WO2021108847A1 (en) 2019-12-02 2021-06-10 Reflex Instruments Asia Pacific Pty Ltd Fit for purpose measurement system for drill hole logging

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1693992C (ru) 1988-10-10 1996-04-27 Всероссийский научно-исследовательский институт разведочной геофизики "Рудгеофизика" Зонд рентгенорадиометрического каротажа

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2347037B2 (de) * 1973-09-19 1979-05-03 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe Meßsystem einer Bohrloch-Sonde
US4628202A (en) 1983-04-15 1986-12-09 Dresser Industries, Inc. Method and apparatus for gamma ray well logging
EP0184898A1 (de) 1984-11-05 1986-06-18 Halliburton Company Verfahren zur Durchführung einer Bohrlochuntersuchung mittels zweier Strahlungsdetektoren
CA2519740A1 (en) 2004-09-16 2006-03-16 Schlumberger Canada Limited Methods for visualizing distances between wellbore and formation boundaries
GB2444801A (en) 2006-12-15 2008-06-18 Schlumberger Holdings High voltage compact x-ray generator for oil well formation analysis
EP2223166A2 (de) 2007-12-05 2010-09-01 Schlumberger Technology B.V. Untertageabbildungswerkzeug unter verwendung eines röntgenstrahlgenerators
US20160209542A1 (en) * 2015-01-16 2016-07-21 Saudi Arabian Oil Company Inline Density and Fluorescence Spectrometry Meter
US20210156245A1 (en) * 2019-11-25 2021-05-27 Halliburton Energy Services, Inc. Sensor With Integrated Window
WO2021108847A1 (en) 2019-12-02 2021-06-10 Reflex Instruments Asia Pacific Pty Ltd Fit for purpose measurement system for drill hole logging

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022207531A1 (de) 2024-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69427880T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung der Porosität-Matrix-Dichte während der Messung der Porosität mittels epithermischer Neutronen in einem Bohrloch
EP2260290B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur trübungsmessung
DE68920568T2 (de) Vorrichtung zur Messung von Erdformationen mit hoher räumlicher Auflösung.
DE3616399A1 (de) Vorrichtung zur simultanen gamma-gamma-formationsdichtemessung beim bohren
DE102011002421A1 (de) Messgerät zur Messung von Partikelkonzentrationen mittels Streulicht und Verfahren zur Überwachung des Messgerätes
DE60306928T2 (de) Vorrichtung und verfahren zum vermindern des verschleisses und des verschleissbezogenen fehlers in einem gerät zur bohrlochmessung während des bohrens
EP0612406A1 (de) Vorrichtung zur feststellung von qualitätsänderungen von massengütern auf laufenden förderbändern.
DE1296829B (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Gehaltes einer Probe an schweren Elementen durch Messung ihrer optisch angeregten K alfa- oder K beta-Roentgenfluoreszenzlinien
DE3236604A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der fluiddichte und stroemungsgeschwindigkeiten in vielphasigen stroemungssystemen
DE69523476T2 (de) Schichtdickenmessung, die rückstreuung von hochenergischen photonen verwendet
WO2004008128A1 (de) Röntgenfluoreszenzanalyse mittels einem an die quelle und an den detektor angeschlossenen hohlleiter
WO2008122622A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur untersuchung eines heterogenen materials mittels laserinduzierter plasmaspektroskopie
WO2024017997A1 (de) Rf-bohrlochsondensystem und verfahren zum betrieb einer rf-bohrlochsonde
DE3337607A1 (de) Verfahren zur gefahrensfrueherkennung bei gebirgsschlaggefaehrdung und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE112015006170T5 (de) Formationsunabhängige Zementbewertung mit aktiver Gammastrahlenerkennung
DE602004001045T2 (de) Bohrlochmessgerät mit Strahlenschutzabschirmung und Messverfahren
EP0997726A2 (de) Nephelometrische Detektionseinheit mit optischer In-Prozess-Kontrolle
DE19524119C2 (de) Sonde zur strahlungstechnischen Bestimmung der Dichte des Wandmaterials von Bohrlöchern
WO2006125696A1 (de) Verfahren und anordnung zur bestimmung eines flächengewichtes und/oder einer chemischen zusammensetzung einer geförderten materialprobe
DE102015118208B4 (de) Analysevorrichtung zum Analysieren einer Gasprobe sowie Verfahren zum Analysieren einer Gasprobe
DE102007029778A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von chemischen Elementen in Bodenproben
DE69230485T2 (de) Neutronendetektoren
EP0124696B1 (de) Sonde zur Einführung in Bohrlöcher zum Zwecke der Erkundung von Erzlagerstätten
DE2328429C3 (de) Einrichtung zur Messung des Gasanteils in verschäumten Ölen o.ä. Substanzen
DE2347037B2 (de) Meßsystem einer Bohrloch-Sonde

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23744768

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1