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Die Erfindung bezieht sich auf ein Logverfahren zum Bestimmen des
Kohlenstoffgehaltes von Gesteinsformationen längs eines Bohrloches unter Verwendung
eines durch das Bohrloch zu führenden Instrumentes, das so ausgebildet ist, daß
es Impulse schneller Neutronen mit einer oberhalb eines bestimmten Niveaus liegenden
Energie erzeugen und resultierende, durch unelastische Stöße erzeugte Gammastrahlung
mit einem ebenfalls vorherbestimmten Energieniveau in der Größenordnung von 4,43
MeV, die charakteristisch für Kohlenstoff ist, selektiv nachweisen kann und unter
Aufzeichnung eines Signals, das als eine Funktion der nachgewiesenen Gammastrahlung
in Wechselbeziehung mit dem Ort, an dem die Strahlung in dem Bohrloch ermittelt
wird, variiert.
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Es ist bekannt, zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gesteinen
und Gesteinsformationen durch ein entsprechendes Bohrloch eine Strahlenquelle einzuführen,
die schnelle Neutronen mit einer Energie von 14 MeV impulsartig aussendet. Beim
Auftreffen der ausgesandten Neutronen auf die Atomkerne der in dem zu untersuchenden
Gestein enthaltenden Elemente werden die getroffenen Kerne in einen Anregungszustand
versetzt, so daß ein Zwischenkern entsteht, der nach einer für den betreffenden
Kern charakteristischen Zeitspanne in den Grundzustand zurückkehrt und dabei y-Quanten
aussendet.
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Die Energie der von den getroffenen Atomkernen ausgesandten y-Strahlung
läßt Rückschlüsse auf bestimmte chemische Elemente, wie Kohlenstoff, Sauerstoff,
Chlor, Silicium zu, da die Atomkerne jedes dieser Elemente eine y-Strahlung mit
einem bestimmten Energiespektrum aussenden. Auch der Zeitraum zwischen dem Neutronenbeschuß
und dem Auftreten der y-Strahlung der getroffenen Kerne erlaubt Rückschlüsse auf
die Art der Atomkeme, d. h. auf bestimmte chemische Elemente.
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Bei dem eingangs erwähnten und bekannten Verfahren, bei dem Neutronenstrahlen
mit 14 MeV verwendet werden, besteht die Gefahr, daß die resultierende y-Strahlung
nicht nur durch unelastische Streuung der schnellen Neutronen, sondern auch durch
den Einfang thermischer Neutronen hervorgerufen wird, was ungenaue Messungen und
Bestimmungen der Zusammensetzung des untersuchten Gesteins verursacht. Diese Gefahr
kann auch nicht durch impulsartige Erzeugung der Neutronenstrahlung und durch selektive
Registrierung der resultierenden y-Strahlung beseitigt oder umgangen werden.
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Bei dem bekannten Verfahren ist es möglich, durch zweimaliges Einschalten
eines y-Strahlungsdetektors zuerst die durch unelastische Stöße erzeugten v-Quanten
zu messen und nach einem Zeitraum von 5 lls die Einfang-y-Strahlung zu bestimmen,
wobei erstere Kohlenstoff mittels y-Quanten von etwa 4,4 MeV und letztere Wasserstoff
mittels y-Quanten mit 2,2 MeV anzeigt.
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Dieses Verfahren zur Bestimmung von Kohlenstoff und/oder Wasserstoff
durch Messung der durch Neutronenbeschuß ausgelösten strahlung ist nicht frei von
erheblichen Meßfehlern, die durch auftretende Störstrahlung verursacht werden. Weiterhin
erfordert die zweimalige und aufeinanderfolgende Messung von y-Strahlung, die durch
unelastische Zusammenstöße und durch Einfang thermischer Neutronen ausgelöst ist,
einen erheblichen Aufwand an Meßeinrichtungen, da der verwendete y-Strahlendetektor
je-
weils genau nach 5 lls zur Bestimmung der Einfangstrahlung ein zweites Mal eingeschaltet
werden muß.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben,
das die Kohlenstoflbestimmungen in Gesteinsformationen auf einfachere Weise und
ohne Verfälschung des Meßergebnisses durch Störstrahlung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren nach der Erfindung gelöst durch
Bestrahlung der Formation längs des Bohrlochpfades mit Neutronen, die einen Energiebereich
in der Größenordnung von 4,8 MeV haben, der für den Reaktionsgrenzwert unelastischer
Stöße für Kohlenstoff charakteristisch ist, und welcher Bereich eine obere Grenze
von 6,5 MeV hat.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil der Eliminierung
von Störstrahlung durch Einfang-y-Strahlung, wobei eine kontinuierliche impulsartige
Aussendung und Aufnahme der Strahlungsenergien vorgenommen wird und ein zweimaliges
aufeinanderfolgendes Einschalten des y-Strahlendetektors zur Ermittlung der durch
unelastische Stöße und durch Einfang thermischer Neutronen bedingten strahlung entfällt.
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Ausgestaltende Merkmale der Erfindung sind in den echten Unteransprüchen
2 bis 4 gekennzeichnet.
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Die Erfindung ist im folgenden im Zusammenhang mit der Zeichnung
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im
Schnitt, welche ein Bohrlochuntersuchungsgerät zeigt, das sich in einem Bohrloch
befindet, welches durch eine Reihe von Erdformationen geführt ist, F i g. 2 eine
graphische Darstellung der Neutronenimpulsform, die zur Bestrahlung der Erdformationen
verwendet wird, zusammen mit bestimmten Wirkungen, die in der Formation durch einen
solchen Impuls hervorgerufen werden, und F i g. 3 eine Seitenansicht, teilweise
im Schnitt, welche ein der Fig. 1 ähnliches Bohrlochuntersuchungsgerät zeigt.
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In F i g. 1 ist ein Bohrloch 10 dargestellt, das durch mehrere Erdformationen
11, 12, 13 und 14 hindurchgeführt ist und einen flüssigen Inhalt 15 enthält, der
z. B. aus der üblichen Spülflüssigkeit, Wasser oder rohes Erdöl, bestehen kann.
Innerhalb des Bohrloches 10 ist beispielsweise mittels eines Kabels 16 ein Bohrlochuntersuchungsgerät
17 aufgehängt dargestellt.
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Das Kabel 16 kann einen oder mehrere elektrische Leiter (die nicht
einzeln dargestellt sind) enthalten, so daß elektrische Signale zwischen dem Gerätl7
und der elektrischen Anlage an der Tagesoberfläche übertragen werden können. Die
Einzelheiten des Gerätes an der Tagesoberfläche werden nachfolgend mit näheren Einzelheiten
beschrieben. Ein schematisch dargestelltes Meßgerät 18 ist an der Tagesoberfläche
in Kontakt mit dem Kabel 16 gezeigt und dient zur Bestimmung der Länge des Kabels
16, das im Bohrloch 10 während der Untersuchung hängt.
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Das Untersuchungsgerät 17 besitzt einen Außenmantel bzw. ein Gehäuse
19, das in an sich bekannter Weise so gebaut ist, daß es den Drücken und Temperaturen
Widerstand leisten kann, die gewöhnlich bei Bohrlochuntersuchungen auftreten. Innerhalb
des Gehäuses 19 befindet sich eine Neutronenquelle 20, welche geregelte Neutronenimpulse
erzeugen kann.
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Vorzugsweise umfaßt die Neutronenquelle 20 einen Beschleuniger für
positiv geladene Ionen, der bei 21
schematisch dargestellt ist,
zusammen mit einem geeigneten Target 22, das Neutronen von einem gewünschten Energieniveau
erzeugen kann, wenn es mit positiven Ionen beschossen wird. Beispielsweise kann
die Neutronenquelle 20 ein Gerät zur Beschleunigung von Deuteronen gegen ein Target
umfassen, das Deuterium oder Tritium enthält, um Neutronen in an sich bekannter
Weise zu erzeugen.
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Innerhalb des Gehäuses 19 ist im Abstand von der Neutronenquelle
20 längs der senkrechten Achse des Gerätes 17 ein Gammastrahlendetektor 23 vorgesehen,
der, wie gezeigt, unterhalb der Neutronenquelle 20 angeordnet sein kann. Zwischen
den beiden Vorrichtungen20, 23 befindet sich eine Abschirmung 24, durch welche verhindert
wird, daß eine durch die Neutronenquelle 20 erzeugte unerwünschte Strahlung den
Detektor 23 erreicht. Die Abschirmung 24 kann aus Blei von geeigneter Dicke sein,
um zu verhindern, daß Gammastrahlen, die im Target 22 entstehen, den Detektor 23
erreichen, und kann ferner ein geeignetes Material zur Thermalisierung und zum Einfangen
von Neutronen aufweisen, die sonst den Detektor 23 erreichen würden, besonders wenn
der letztere von einer Art ist, daß er hierdurch aktiviert wird. Der Detektor 23
kann aus einem an sich bekannten Gerät bestehen, das für den selektiven Nachweis
von Gammastrahlen in einem bestimmten Energiebereich, wie nachfolgend beschrieben,
geeignet ist. Beispielsweise kann der Detektor 23 einen organischen Lumenophor von
geeigneter Größe zur Erzeugung von Szintillationen, deren Intensität der Energie
der nachgewiesenen Gammastrahlen entspricht, sowie eine photoelektrische Vorrichtung
umfassen, z. B. einen Photovervielfacher, zur Umwandlung der Lichtimpulse in elektrische
Energie.
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Der Ausgang des Detektors 23 ist über ein Tor 25 mit einem Vorverstärker
26 gekoppelt. Das Tor 25 kann Schaltmittel zur selektiven Übertragung des Detektorausgangs
zum Vorverstärker 26 entsprechend einem gewünschten Programm umfassen. Der Vorverstärker
26 dient als Mittel zur Vergrößerung des Detektorausgangssignals zur Übertragung
über das Kabel 16 auf einen linearen Verstärker 27, der sich an der Tagesoberfläche
befindet. Der Ausgang des Verstärkers 27 ist seinerseits mit einem Impulshöhenanalysator
28 gekoppelt, dessen Funktion die Einteilung elektrischer Impulse entsprechend einem
oder mehreren bestimmten Energiebereichen der nachgewiesenen Gammastrahlen ist.
Der Ausgang des Impulshöhenanalysator 28 ist wiederum mit einem Aufzeichnungsgerät
29 gekoppelt, das beispielsweise ein Magnetbandgerät oder ein graphischer Schreiber
sein kann, um eine bleibende Aufzeichnung eines gewünschten Gammastrahlensignals
zur Korrelation mit der Stellung des Detektors 23 im Bohrloch 10 zu erzielen. Ein
zusätzliches Sichtgerät, beispielsweise ein Oszilloskop 30, ist mit dem Ausgang
des Impulshöhenanalysators 28 gekoppelt dargestellt, so daß eine Sichtanzeige des
empfangenen Signals erhalten wird. Hierbei ist zu erwähnen, daß der Impulshöhenanalysator
28 eine Ratenmesserschaltung umfassen kann, um ein kontinuierliches Signal zu erhalten,
das die durchschnittliche Entstehungsrate der aufgefangenen Gammastrahlen von einem
gegebenen Energiebereich anzeigt. Vorzugsweise ist der Analysator, in welchem Falle
jeder Kanal einen Ratenmesser sowie Sicht- und Aufzeichnungsgeräte enthalten kann.
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An der Tagesoberfläche ist ferner ein Neutronenquelleregler 31 vorgesehen,
der durch das Kabel 16 mit der Neutronenquelle 20 gekoppelt ist und dazu dient,
deren Arbeitsweise im Bohrloch 10 zu regeln.
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Ferner ist der Neutronenquelleregler 30 mit dem Tor 25 gekoppelt,
damit die Neutronenquelle 20 und der Detektor 23 gleichzeitig von der Tagesoberfläche
aus in der gewünschten Weise an und abgeschaltet werden kann.
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Vorzugsweise ist in dem Gerät 17 außerdem ein Zeitgeber 32 vorgesehen,
der mit der Neutronenquelle 20 und dem Tor 25 gekoppelt ist. Der Zeitgeber 32 kann
ein elektromechanisches oder elektisches Gerät sein, das zur Regelung der Arbeitsweise
der Neutronenquelle 20 und des Ausgangs des Detektors 23 entsprechend einem gewünschten
Programm für einen intermittierenden Betrieb geeignet ist. Beispielsweise kann der
Zeitgeber 32 so ausgelegt sein, daß die Neutronenquelle 20 für aufeinanderfolgende
Impulse von kurzer Dauer von z. B. 1 Mikrosekunde eingeschaltet und gleichzeitig
das Tor 25 geöffnet wird, so daß der Ausgang des Detektors 23 auf die Tagesoberfläche
nur während der Intervalle übertragen werden kann, während welchen die Neutronenquelle
20 in Betrieb ist.
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Obwohl der Impulshöhenanalysator 28 an der Tagesoberfläche angeordnet
dargestellt ist, ist er vorzugsweise im Untersuchungsgerät 12 vorgesehen.
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Durch die Anordnung des Analysators 28 im Untersuchungsgerät 12 ist
es möglich, die Übertragung von Signalen über das Kabel 16 vom Untersuchungsgerät
im Bohrloch auf die Einrichtung an der Tagesoberfläche zu vereinfachen, da sich
das Ausgangssignal aus dem Impulshöhenanalysator 28 leichter über das Kabel übertragen
läßt als die kurz aufeinanderfolgenden Impulse, welche das Eingangssignal für den
Analysator 28 bilden.
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Ein Gerät der vorangehend beschriebenen Art kann zur Durchführung
eines Neutron-Logs durch unelastischen Stoß von einer oder mehreren Erdformationen,
beispielsweise der in der Zeichnung dargestellten Formationen 11, 12, 13 und 14,
verwendet werden, um diese nach der Anwesenheit eines gegebenen Elementes zu untersuchen.
Ein solches Log kann dadurch geschehen, daß das Gerät 17 durch das Bohrloch 10 an
den Formationen vorbeigeführt wird, wobei die Neutronenquelle 20 so betrieben wird,
daß die Formationen 11, 12, 13 und 14 mit Neutronen von einem bestimmten Mindestenergieniveau
bestrahlt werden, das etwas höher als der erste Energieniveauzustand des Atomkerns
des gewählten Elementes ist.
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Je nach dem Vorhandensein von Atomkernen des gewählten Elementes werden
in der Formation unelastische Gammastrahlen von einem bestimmten Energieniveau erzeugt,
das demjenigen des ersten Energieniveauzustandes des gewählten Atomkerns äquivalent
ist. Einige der auf diese Weise erzeugten Gammastrahlen wandern aus der Formation
zum Detektor 23, wodurch ein elektrischer Impuls erzeugt wird, dessen Amplitude
der Energie des Gammastrahls entspricht, der ihn erzeugt hat. Impulse von einer
gegebenen Amplitude können selektiv durch den Betrieb des Impulshöhenanalysators
28 beobachtet werden. Durch die Beobachtung des empfangenen Signals von dem gewünschten
Energieniveau in Korrelation mit der Stellung des Gerätes 17 im Bohrloch wird eine
Anzeige von dem Vorhandensein und von der genauen Lage der gewählten Elemente
in
den Formationen erhalten. Wenn ein Ratenmesser verwendet wird, kann die Zahl der
empfangenen Gammastrahlen von einer gegebenen Energie je Zeiteinheit gezählt werden
und dadurch eine Anzeige der Konzentration des Elementes in der Formation erhalten
werden.
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Zur Herabsetzung der Untergrundstörung durch energiereiche Einfanggammastrahlen,
die sonst in der Formation durch die Thermalisierung und den Einfang von schnellen
Neutronen erzeugt werden können, soll das Log durch unelastischen Stoß in der Weise
durchgeführt werden, daß die Neutronenquelle 20 mit einer Reihe von vergleichsweise
kurzen Neutronenimpulsen betrieben wird, deren Dauer vorzugsweise etwa 1 Mikro sekunde
beträgt, und der Detektor nur während der Zeit betrieben wird, während welcher die
Neutronenquelle eingeschaltet ist. Obwohl eine kurze Dauer von 1 Mikrosekunde vorzuziehen
ist, kann sie bis zu etwa 5,0 Mikrosekunden unter der Annahme einer Formationsporosität
von etwa 30°/o länger sein. Während dieses vergleichsweise kurzen Intervalls werden
wahrscheinlich nur vergleichsweise wenig Neutronen thermalisiert und eingefangen,
die energiereiche Einfangsgammastrahlen zur Folge haben, die sonst zu einer Störung
des aufgenommenen Signals führen könnten. Das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden
Neutronenimpulsen soll ausreichend lang sein, um den Aufbau von induzierten Strahlen
zu vermeiden, die dazu führen können, daß die durch den unelastischen Stoß erzeugten
verdeckt werden. Das Intervall zwischen den Impulsen soll daher vorzugsweise einige
Millisekunden betragen. Da die durch unelastischen Stoß erzeugten Gammastrahlen
aufgenommen werden, während die Quelle für schnelle Neutronen in Betrieb ist, soll
das Intervall zwischen den Neutronenimpulsen von ausreichender Dauer sein, damit
die meisten Neutronen jedes Impulses thermalisiert und eingefangen werden können,
bevor der nächste Impuls stattfindet, um Gammastrahlen aus einem (n, y)-Prozeß aus
dem aufgenommenen Signal auszuschalten.
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Die unelastische Neutronenstoßreaktion, durch welche durch Unelastizität
erzeugte Gammastrahlen erzeugt werden, beruht auf der Vorstellung, daß der Atomkern
eines gegebenen Atoms mehrere bestimmte Energiezustände von einem bestimmten unteren
Zustand an aufwärts hat. Wenn ein Neutron von einem bestimmten Energieniveau, das
geringfügig höher als der niedrigste Energiezustand des Atomkerns ist, in den Atomkern
eines gewählten Elementes eintritt, überträgt es auf diesen eine Energie, die ausreicht,
ihn zu seinem ersten angeregten Zustand anzuregen.
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Das Neutron verläßt dann den Atomkern mit einer Energie, die geringer
ist als diejenige, mit welcher es in diesen eintrat, wobei der Betrag gleich demjenigen
ist, der auf den Atomkern übertragen wurde. Der angeregte Atomkern fällt in seinen
Grundzustand durch die Emission eines Gammastrahls von bestimmter charakteristischer
Energie, die äquivalent zu derjenigen des ersten angeregten Zustandes ist.
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Hierbei ist zu betonen, daß ein Neutron unterhalb einer bestimmten
Energie den Atomkern nicht mit einem unelastischen Stoß anregen kann. Nur Neutronen
von höherer Energie sind in der Lage, diese Wirkung hervorzurufen.
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Die unelastiche Stoßreaktion, durch welche Kohlenstoff charakteristische
Gammastrahlen erzeugen kann, kann symbolisiert werden durch C1(n,n')C12 *. Diese
Reaktion
hat eine Neutronenanregungsschwelle von 4,80 MeV und ergibt Zerfallsgammastrahlen
von 4,43 MeV. Daher kann der selektive Nachweis von Kohlenstoff durch Bestrahlung
der Formation mit schnellen Neutronen erzielt werden, die eine charakteristische
Energie von etwa S,OMeV oder höher haben, und durch den selektiven Nachweis von
Gammastrahlen mit einem Energiewert von etwa 4,43 MeV.
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Die unelastische Stoßreaktion mit Neutronen von Energien von 5,0
MeV hängt im wesentlichen von dem Vorhandensein von Kohlenstoff in den Formationen
ab, so daß eine gute Anzeige des Vorhandenseins von Kohlenstoff erzielt wird, wenn
Impulse gemessen werden, die Gammastrahlen von 4,43 MeV entsprechen. Es ist ganz
unwahrscheinlich, daß ein Gammastrahl von 4,43 MeV durch andere Elemente als durch
Kohlenstoff mittels Neutronen von etwa 5,0 MeV erzeugt wird. Obwohl Neutronen von
höherer Energie als 5,0 MeV zur Erzeugung von Gammastrahlen aus Kohlenstoff durch
unelastischen Stoß verwendet werden können, ist es vorzuziehen, daß die Neutronen
im Bereich von 5,0 bis 6,5 MeV liegen. Wenn das obere Energieniveau des Neutronenstrahls
auf diese Weise beschränkt wird, kann eine gewisse Interferenz, die sonst durch
Neutronen von höherer Energie als 6,5 MeV erzeugt werden, vermieden werden.
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Das Gerät zur Durchführung der Erfindung kann Neutronen in vorteilhafter
Weise durch die Be9 (a, n) Ct2-Reaktion erzeugen, um Neutronen von etwa 6,5 MeV
mit einer Alphastrahl-Geschoßteilchenenergie von 0,6 MeV zu erzielen. Diese Reaktion
ergibt den Vorteil, daß der gewünschte Neutronenstrahl erhalten wird, ohne daß eine
unangemessen hohe Beschleunigerspannung im Untersuchungsgerät erforderlich ist.
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Im allgemeinen kann gesagt werden, daß der Wirkungsquerschnitt, d.
h. die Wahrscheinlichkeit, daß eine Reaktion stattfindet, für die höher angeregten
Zustände als der erste geringer ist. Außerdem befinden sich die angeregten Zustände
für die schwereren Elemente verhältnismäßig nahe beieinander.
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Damit ein Element eine wesentliche Interferenz bei der Untersuchung
nach Kohlenstoff verursacht, müßte es sich entweder um ein leichtes oder um ein
Element mit einer magischen Nukleonenzahl handeln.
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Es ist nicht wahrscheinlich, daß eine Interferenz aus einer solchen
Ursache während einer Bohrlochuntersuchung nach dem Vorhandensein von Kohlenstoff
eintritt.
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Mittels der Untersuchung durch unelastischen Stoß nach dem Vorhandensein
von Kohlenstoff beim Durchfahren einer Tiefbohrung werden bestimmte Vorteile erzielt.
Beispielsweise registriert die Zählrate von aufgenommenen Gammastrahlen des gewählten
Energiewertes im wesentlichen nur eine Rate, die zu der Zahl von Kohlenstoffatomkernen
in Proportion steht, die in dem beobachteten Bereich vorhanden sind. Daher liefert
die Untersuchung eine wirksame quantitative Analyse für Kohlenstoff sowie eine qualitative
Analyse. Ferner beobachtet eine solche Untersuchung Kohlenstoff mit einem angemessenen
Wirkungsquerschnitt, so daß eine angemessen genaue quantitative Bestimmung über
einen vergleichsweise weiten Bereich von Kohlenstoffprozentsätzen, einschließlich
verhältnismäßig kleiner Prozentsätze desselben, sichergestellt ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Untersuchung kann
einen Beschleunigerstrahl aufweisen, der stark gerichtet ist, um Neutronen von der
gewünschten Energie in der Formation zu konzentrieren. Dies ist von Interesse, da
die Neutronenenergie mit zunehmendem Winkel vom Teilchenstrahl abnimmt.
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Es soll eine In-situ-Analyse der Erdformation nach Kohlenwassergehalt
durch Korrelation eines Kohlenstoff-Logs der vorangehend beschriebenen Art mit einem
Wasserstoff-Log der zu untersuchenden Erdformation durchgeführt werden.
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Es wird ein gleichzeitiges Wasserstoff-Kohlenstoff-Log einer oder
mehrerer Erdformationen durchgeführt, durch welche ein Bohrloch geführt ist. Ein
solches Log kann dadurch geschehen, daß ein kombiniertes Log durchgeführt wird,
bei welchem der Nachweis von Kohlenstoff unter Anwendung des vorangehend beschriebenen
unelastischen Stoßes erfolgt und der Nachweis von Wasserstoff durch die Bestimmung
der Rate, mit welcher das Material der Formation schnelle Neutronen abbremst. Dieses
Kombinationslog wird mit Hilfe einer Einfachimpuls-Neutronenquelle zusammen mit
einem geeigneten Strahlennachweisgerät durchgeführt.
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Ein Wasserstoffgehalt-Log, das durch Messung der Bremsrate schneller
Neutronen erhalten wird, kann nach dem Prinzip durchgeführt werden, daß ein Medium
durchdringende schnelle Neutronen auf den thermischen Bereich mit einer Rate gebremst
werden, die für die Bestandteile des Mediums charakteristisch ist. Die charakteristische
Bremszeit, für welche als Symbol Ts verwendet wird, für schnelle Neutronen in einem
Medium wird in erster Linie durch das Vorhandensein leichter chemischer Elemente
geregelt und wird in der Tat im wesentlichen allein durch die Konzentration von
Wasserstoff in Erdformationen bestimmt. Ein solches Wasserstoff-Log kann durch Bestrahlung
der Formationen mit schnellen Neutronen von einer Neutronenquelle durchgeführt werden,
die durch eine abrupte Veränderung in der Quellenrate gekennzeichnet ist, auf welche
der Nachweis der von der Formation ausgehenden Strahlung als Anzeige der Rate folgt,
mit welcher schnelle Neutronen im Medium auf den thermischen Bereich gebremst werden.
Die Neutronenbremszeit Ts von Wasser oder öl in typischen Erdformationen beträgt
unter der Annahme einer etwa 300/oigen Porosität, die im wesentlichen allein durch
ihren Wasserstoffgehalt bedingt ist, etwa 5,0 Mikrosekunden. Hieraus ergibt sich,
daß, wenn die Neutronenquelle erstmalig zur Erzeugung eines Neutronenimpulses eingeschaltet
wird, das interessierende Medium, in diesem Falle eine Erdformation, von schnellen
Neutronen mit einer Rate durchdrungen wird, welche durch die Stärke der Bestrahlungsquelle
bestimmt wird. In der Zeit, die durch die charakteristische Bremszeit Ts des Mediums
bestimmt wird, werden die schnellen Neutronen auf den thermischen Bereich infolge
der Wechselwirkungen im Medium gebremst. Im Medium wird daher eine Höhe des Flusses
der thermischen Neutronen erzeugt, dessen Zunahmerate durch die Bremszeit Ts des
Mediums bestimmt wird. Wenn der Bestrahlungsimpuls bzw. Ionisationsstoß schneller
Neutronen von im wesentlichen rechteckiger Wellenform ist, so daß im wesentlichen
eine Anstiegszeit Null auf den durchschnittlichen Höchst- oder Plateauwert besteht,
ist eine Darstellung des Aufbaus
der Höhe des Flusses der thermischen Neutronen im
Medium eine genaue Darstellung der Rate, mit welcher die schnellen Neutronen durch
das Medium gebremst werden. Der charakteristische Aufbau der Höhe des Flusses der
thermischen Neutronen kann daher als Mittel zur Bestimmung der charakteristischen
Bremszeit Ts des Mediums dienen. In dem Falle, in welchem Wasserstoff in der Formation
in wesentlicher Menge vorhanden ist, beginnt die Höhe des Flusses der epithermischen
und thermischen Neutronen im Medium in wesentlichen Mengen vorhanden zu sein, nachdem
die Neutronenquelle während der Bremszeit Ts von öl oder Wasser, nämlich etwa 5,0
Mikrosekunden, eingeschaltet war, und steigt weiterhin bis zu einem Gleichgewichtswert
an, bis die Verlustrate der thermischen Neutronen in dem Medium gleich der Erzeugungsrate
thermischer Neutronen durch die Bremsung schneller Neutronen aus der Neutronenquelle
geworden ist. Der Verlust an thermischen Neutronen ist durch ihren Einfang in der
Formation infolge des Vorhandenseins starker Einfangselemente bedingt. Die Zeit,
während welcher die thermischen Neutronen in der Formation bleiben und welche als
Lebensdauer gegen Einfang oder T, bezeichnet werden kann, ist von der charakteristischen
Bremszeit Ts verschieden, jedoch ebenfalls charakteristisch für das Element bzw.
die Elemente, welche für den Einfang verantwortlich sind. Da thermische Neutronen
infolge der Wasserstoffatomkerne von öl oder Wasser eine sehr kurze Bremszeit Ts
im Vergleich zu den anderen Elementen haben, welche gewöhnlich in Erdformationen
vorhanden sind, können thermische Neutronen, welche durch den Abbremseffekt von
Wasserstoff erzeugt worden sind, von anderen dadurch unterschieden werden, daß die
Höhe des Flusses der thermischen oder epithermischen Neutronen in der Formation,
bevor der Effekt der anderen Elemente wesentlich wird, bestimmt wird.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung eines kombinierten Wasserstoff-Kohlenstoff-Logs
besteht darin, daß die zu untersuchende Formation mit einem Impuls oder Ionenstoß
schneller Neutronen mit einem Energieniveau von etwa 5 MeV während eines vergleichsweise
kurzen Zeitintervalls bestrahlt wird, wobei gleichzeitig Gammastrahlen mit einem
Energiebereich von 4,43 MeV aufgefangen werden, um den Kohlenstoffgehalt der Formation
in der vorangehend beschriebenen Weise zu bestimmen. Während eines bestimmten Zeitintervalls
nach dem Impuls der Neutronenquelle werden epithermische Neutronen, die von der
Formation ausgehen, aufgefangen, um die charakteristische Bremszeit Ts der Formation
zu bestimmen. Die Zeit zwischen dem Einleiten des Neutronenimpulses und dem Beginn
des bestimmten Zeitintervalls kann zweckmäßig der Bremszeit Ts von öl oder Wasser
entsprechen, nämlich etwa 5,0 Mikrosekunden, wie vorangehend angegeben. Das Aufnahmeintervall
soll enden, bevor der Einfangeffekt anderer Elemente in der Formation wesentlich
wird.
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In F i g. 2 ist eine graphische Darstellung eines Neutronenimpulses
A von einer im wesentlichen rechteckigen Wellenform gegeben, dessen durchschnittliches
maximales Energieniveau über 5 MeV liegt und der eine bestimmte Zeitdauer t1 von
1 Mikrosekunde hat. Über der gleichen Zeitbasis t ist eine graphische Darstellung
einer beispielsweisen durch unelastischen Stoß erzeugten 4,43 MeV Gammastrahlenanzeige
B
aufgetragen, die während der Zeit t, durch Wechselwirkung des Neutronenimpulses
A mit Kohlenstoffatomkernen in einer Erdformation entsteht. Längs der gleichen Zeitbasis
t ist ferner eine graphische Darstellung des Aufbaus und des Zerfalls der Höhe des
Flusses C der thermischen Neutronen in der Formation infolge der Anwesenheit von
Wasserstoff in Form von Öl oder Wasser gezeigt.
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Wie ersichtlich, beginnt die Kurve C, rasch auf ihren Höchstwert in
einer Zeit Ts von etwa 5, 0 Mikrosekunden anzusteigen, nachdem der NeutronenquelleimpulsA
eingeleitet worden ist, und zerfällt, nachdem die Neutronenquelle abgeschaltet worden
ist, mit einer abweichenden Geschwindigkeit, wie sie durch die charakteristische
Einfangzeit TC für thermische Neutronen der Formation bestimmt wird In Fig. 3 ist
ein Gerät zur Durchführung eines kombinierten Wasserstoff-Kohlenstoff-Logs gezeigt.
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Dieses Gerät ist dem in F i g. 1 dargestellten ähnlich, weist jedoch
noch einen Detektor 50 für epithermische Neutronen auf, welcher in einem bestimmten
Abstand von der Neutronenquelle 20 angeordnet und unter dem Gammastrahlendetektor
23 dargestellt ist, und ferner ein Tor 51 und ein Vorverstärker 52 sowie Mittel
zur Förderung der zusätzlichen durch den Neutronendetektor 50 erhaltenen Information
über das Kabel 16 zur Tagesoberfläche. Beispielsweise kann die durch den Neutronendetektor
50 erhaltene zusätzliche Information über einen zusätzlichen Leiter im Kabel 16
oder vorzugsweise über den gleichen Leiter wie die Information des Gammastrahlendetektors
23 übertragen werden. Im letzteren Falle können die jeweiligen Signale aus den beiden
Detektoren zur Tagesoberfläche mit verschiedenen Amplitudenstufen übertragen werden,
an welcher sie durch Impulshöhendiskrimination getrennt werden. Der Neutronendetektor
50 kann beispielsweise ein Borzähler, wie ein Bor-Szintillationsdetektor mit einer
umgebenden Cadmiumschicht, sein. Hierbei ist zu erwähnen, daß der Detektor für die
epithermischen Neutronen ausreichend schnell im Nachweis einer wesentlichen Strahlungsmenge
während des Anzeigeintervalls sein muß. Das an der Tagesoberfläche vorgesehene Gerät
ist dem in F i g. 1 dargestellten im wesentlichen ähnlich, jedoch ist ferner eine
Sichtvorrichtung, beispielsweise ein Schreiber 29' und Oszillograph 30', zur Auswertung
der aus dem Neutronendetektor 50 erhaltenen Information vorgesehen. Das in F i g.
3 dargestellte Gerät kann zur Durchführung des Wasserstoff-Kohlenstoff-Logs in der
beschriebenen Weise verwendet werden, indem die Neutronenquelle so betrieben wird,
daß ein gewünschter Impuls oder Ionisationsstoß von Neutronen von einer bestimmten
Dauer erzeugt wird, und zwar unter der Steuerung des Neutronenquellenreglers 31
an der Tagesoberfläche oder mit Hilfe des Zeitgebers 32 innerhalb des Gerätes 17
selbst. Die gleichzeitige Anzeige von Gammastrahlen mittels des Detektors 23 geschieht
im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät.
Die Anzeige epithermischer Neutronen mit Hilfe des Detektors 50 kann in ähnlicher
Weise wie die Anzeige von Gammastrahlen mit Hilfe des Detektors 23 geschehen mit
der Ausnahme, daß die Zeit des effektiven Neutronennachweises, der durch das Tor
51 bestimmt wird, im Verhältnis zur Betriebszeit der Neutronenquelle 20 entsprechend
der charakteristischen Bremszeit Tg des aufgefundenen Materials verändert wird.
Daher kann
es, während es in bestimmten Fällen wünschenswert sein kann, gleichzeitig
epithermische Neutronen während des Betriebs der Neutronenquelle und des Gammastrahlendetektors
23 nachzuweisen, sonst wünschenswert sein, den Detektor für epithermische Neutronen
während eines kurzen Zeitintervalls zu betreiben, der dem Neutronenimpuls aus der
Neutronenquelle 20 unmittelbar folgt, um den Nachweis von epithermischen Neutronen
auszuschalten, die durch die Neutronenquelle 20 während ihres Betriebs erzeugt werden
können. Im letzteren Falle ist es wünschenswert, daß der Neutronendetektor 50 während
eines vergleichsweise kurzen Zeitintervalls, der unmittelbar auf den Neutronenimpuls
folgt, in wirksamem Betrieb getastet wird, damit die durch ihn nachgewiesenen epithermischen
Neutronen im wesentlichen nur diejenigen sind, welche durch das Bremsen schneller
Neutronen durch Wasserstoff in der Formation bedingt sind. Wie im Falle des in F
i g. 1 dargestellten Gerätes kann der Impulshöhenanalysator28 im Gerätl7 statt an
der Tagesoberfläche angeordnet sein, wie gezeigt.
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Zur Bestimmung sowohl des Wasserstoff- als auch des Kohlenstoffgehalts
einer Formation ist vorgesehen, ein Kombinations-Log mit Nachweis von Kohlenstoff
durch das beschriebene Prinzip des unelastischen Stoßes zusammen mit dem Nachweis
von Wasserstoff in der Weise durchzuführen, daß schnelle Neutronen in die Formation
gerichtet werden und die Schwächung des Flusses der schnellen Neutronen infolge
der Anwesenheit von Wasserstoff bestimmt wird. Dies kann mit einem Gerät im wesentlichen
von der in F i g. 3 dargestellten Art durchgeführt werden. Fig. 3 dient daher zur
Erläuterung, wobei zu berücksichtigen ist, daß ein Detektor für schnelle Neutronen
an Stelle eines Detektors für epithermische Neutronen verwendet wird. Im besonderen
umfaßt ein Gerät Mittel zur Bestimmung des Kohlenstoffgehalts einer Formation, wie
in F i g. 1 und 3 gezeigt, wobei der Betrieb des Gerätes für diesen Zweck in der
vorangehend beschriebenen Weise geschehen kann. An Stelle des in F i g. 3 dargestellten
Detektors für epithermische Neutronen besitzt ein Gerät zur Durchführung eines solchen
Untersuchungsverfahrens einen Detektor für schnelle Neutronen in senkrechtem Abstand
von der Neutronenquelle, der in vorteilhafter Weise unter dem Gammastrahlendetektor
angeordnet werden kann, wie im Falle des Detektors für epithermische Neutronen nach
F i g. 3.
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Der Detektor für schnelle Neutronen ist über ein Tor, wie im Falle
des Detektors für epithermische Neutronen nach F i g. 3, mit einem Vorverstärker
gekoppelt, der innerhalb des Untersuchungsgerätes angeordnet ist, wie bei der Einrichtung
nach F i g. 3, und der dazu dient, den Detektorausgang zur Übertragung des Signals
auf die Tagesoberfläche zu verstärken.
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Der Detektor für schnelle Neutronen kann ein Szintillationsdetektor
sein, welcher für Neutronen des durch die Neutronenquelle imitierten Energiebereichs
empfindlich ist.
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Der Wasserstoffgehalt der Formation kann mit Hilfe der Quelle und
des Detektors für schnelle Neutronen bestimmt werden, indem die Wirkung der Formation
bei der Bremsung der Neutronen aus der Quelle gemessen wird. Ein solches Log ist
möglich, da von der Neutronenquelle emittierte schnelle Neutronen auf ihrem Weg
zum Detektor für schnelle Neutronen durch den Stoß mit zwischenliegenden
Elementen
gebremst werden. Der Bremseffekt ist fast allein durch die leichteren Elemente bedingt,
von denen Wasserstoff das wirksamste und in Erdfonnationen am meisten vorherrschende
ist. Bei der Durchführung des Logs wird der Fluß von schnellen Neutronen, der am
Detektor für schnelle Neutronen von der Neutronenquelle ankommt, gemessen. Die nachgewiesene
Mischung liefert eine umgekehrte Anzeige des Wasserstoffgehalts der zwischenliegenden
Formationen. Wenn der Wasserstoffgehalt der Formation zunimmt, ist seine Wirksamkeit,
die schnellen Neutronen am Erreichen des Detektors für schnelle Neutronen zu verhindern,
erhöht, was zu einer Verringerung des Flusses schneller Neutronen, gemessen am Detektor
für schnelle Neutronen, führt.
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Die die Quelle für schnelle Neutronen entsprechend den Erfordernissen
des Logs für Kohlenstoff durch unelastischen Stoß gepulst wird, hat der gemessene
Fluß schneller Neutronen ebenfalls eine Impulsform. Wie erwähnt, ist die Amplitude
der nachgewiesenen Impulse schneller Neutronen umgekehrt zum Wasserstoffgehalt der
Formation.
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Die in F i g. 3 dargestellte Einrichtung ergibt, wenn sie durch die
Verwendung eines Detektors für schnelle Neutronen an Stelle des Detektors für epithermische
Neutronen abgeändert worden ist, eine Möglichkeit zur Austastung des nachgewiesenen
Signals schneller Neutronen in den Betrieb nur, wenn die Neutronenquelle in Betrieb
ist. Dadurch, daß der Detektor für schnelle Neutronen nur betrieben wird, wenn die
Quelle für schnelle Neutronen arbeitet, kann die Wirkung von Neutroneneinfang-Gammastrahlen
auf das nachgewiesene Signal ausgeschaltet werden. Die Neutroneneinfang-Gammastrahlen
werden durch Thermalisierung und Einfang der schnellen Neutronen aus der Neutronenquelle
erzeugt und beginnen in der Formation und in der Bohrlochflüssigkeit erst in wesentlichen
Mengen vorhanden zu sein, wenn ausreichend Zeit nach der Einleitung des Impulses
schneller Neutronen verstrichen ist, während eine wesentliche Menge der schnellen
Neutronen durch die Bestandteile der Bohrlochflüssigkeit oder der Formation thermalisiert
oder eingefangen werden konnte. Vorteilhaft soll daher die Dauer des Impulses schneller
Neutronen kürzer sein als die charakteristischen Neutronenbrems- und Einfangzeiten
der Bohrlochflüssigkeit und der Formation, je nachdem, welche kürzer ist. Außerdem
soll das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen schneller Neutronen vorzugsweise
ausreichend lang sein, um eine Thermalisierung und den Einfang im wesentlichen aller
in der Bohrlochflüssigkeit und in den Formationen thermalisierten und eingefangenen
Neutronen zu ermöglichen.
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Die Wirkung von Gammastrahlen aus einem Qt,7)-Prozeß auf den Nachweis
schneller Neutronen aus der Neutronenquelle kann durch die Verwendung eines gegeigneten
Gammastrahlenabschirmungsmaterials, wie Blei, auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden,
das von ausreichender Dicke ist, daß die meisten der störenden Gammastrahlen aus
dem Detektor abgeschirmt werden, jedoch für schnelle Neutronen ausreichend durchlässig
ist, um den Nachweis und die Messung des gewünschten Signals zu ermöglichen.
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Vorausgesetzt, daß eine geeignete Abschirmung zusammen mit einer Vorspannung
zur Diskrimination gegen unerwünschte Signale vorgesehen ist, kann der Detektor
für schnelle Neutronen in bestimmten Fäl-
len kontinuierlich betrieben werden, statt
in ausgetasteter Weise, wie vorangehend beschrieben.
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Infolge der Schwierigkeit der Abschirmung von Gammastrahlen aus einem
(n,y)-Prozeß gegen das nachgewiesene Signal ist die Beschränkung der Neutronenquellendauer
zusammen mit einer Periode der Inaktivität der Neutronen quelle zwischen aufeinanderfolgenden
Neutronenimpulsen von größerer Wichtigkeit im Falle des unelastisch erzeugten Gamma-Logs
als im Falle des Neutron-Logs mit schnellen Neutronen nach der Anwesenheit von Wasserstoff.
Im Falle eines unelastisch erzeugten Gamma-Logs bestimmen die charakteristischen
Brems- und Einfangzeiten der Formation und der Bohrlochflüssigkeit ferner die maximale
Dauer des Neutronenquelleimpulses und die Mindestdauer der Intervalle zwischen aufeinanderfolgenden
Impulsen.
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Durch die Beschränkung der Dauer der einzelnen Neutronenimpulse aus
der Neutronenquelle und ausreichende zeitliche Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden
Impulsen wird die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung radioaktiver Isotopen in der
Formation oder in der Bohrlochflüssigkeit, welche die Quelle störender Gammastrahlen
werden können, ebenfalls auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
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Hierbei ist zu erwähnen, daß es bei der Durchführung von Bohrlochuntersuchungen
unter Verwendung der in F i g. 1 und 3 dargestellten Einrichtungen vorzuziehen sein
kann, den Impulshöhenanalysator 28 im Untersuchungsgerät 17 statt an der Tagesoberfläche
anzuordnen, wie gezeigt. Hierdurch wird der Vorteil der Vereinfachung der Übertragung
von Signalen vom Untersuchungsgerät zur Tagesoberfläche über das Kabel 16 erzielt,
da das Ausgangssignal aus dem Impulshöhenanalysator sich gewöhnlich leichter übertragen
läßt als die kurz aufeinanderfolgenden Impulse, welche das Eingangssignal für den
Analysator 28 bilden.