DE2245965A1 - Verfahren zur bohrlochvermessung vermittels gepulster neutronenstrahlung zur ermittlung gasfuehrender zonen - Google Patents

Description

Verfahren zur Bohrlochvermessung vermittels gepulster neutronenstrahlung zur Ermittlung gasführender Zonen

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Bohrlochvermessung mittels künstlicher Radioaktivität zum Zwecke der Erkundung der Eigenschaften unterirdischer Erdformation, durch die ein Bohrloch niedergebracht ist, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bohrlochvermessung -vermittels Neutronen-Gamraastrahlung.

Bekanntlich besteht eine größere Wahrscheinlichkeit*für das Vorkommen abbauwürdiger Mengen an Öl und Gas in verhältnismäßig porösen und durchlässigen Erdformationen als in solchen, die stärker konsolidiert sind.. Es ist außerdem bekannt, c'aR, eine öl oder Gas liefernde Formation dadurch gefunden werden kann, daß eine Neutronenquelle durch das Bohrloch herablassen und die sich durch den Neutronenbeschuß

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ergebende Intensität der sekundären Gammastrahlung als Funktion der Bohrlochtiefe geraessen wird.

Insbesondere ist der Chlor-Kern, der einen sehr hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen aufweist, (v/elcher größer ist als der von Kernen anderer üblicherweise vorhandener Elemente) ein guter Indikator für das Vorhandensein von Salzwasser. Daher haben mit Salzwasser gefüllte Kalksteinoder Sandnteinschichten einen größeren makroskopischen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen als eine ölführende Schicht. Durch Kombination mit anderen Porositätswerten läßt sich daher das Vorhandensein von öl feststellen. Dieser Unterschied wird in.bekannter V/eise durch Messung entweder der Ghlor-Einfangsgammastrahlung oder der Halbwertzeit- oder Zerfallskonstanten der thermischen Neutronenbevölkerung in der in Frage stehenden Schicht ermittelt.

Diese vorgenannten Verfahren zum Auffinden von SaI/.v/asser haben sich als sehr nützlich zum Auffinden öl- und gasführender Erdformationen erwiesen. Diese Meßtechnik führt jedoch zu vielen Fehlanzeigen, was darauf zurückzuführen ist, daß sie auf dem Vorhandensein einer ziemlich großen Natriurachloridmenge in der Flüssigkeit beruht. Es gibt zur Zeit kein Bohrlochmeßverfahren, mit dem bei niedrigen Wassersalzgehalt ein Unterschied zwischen öl und Wasser in Erdfprmationen feststellbar ist. So ist beispielsweise für die genannte Chlor- oder Neutronenhalbwertszeitmessung ein Salzgehalt des Wassers von mehr als etwa JO 000/ig Natriumchlorid pro g Wasser erforderlich, damit in den Formetionsporen befindliches öl zuverlässig von Wasser unterschieden werden kann.

Aus diesen Gründen wurde bereits vorgeschlagen, wenigstens

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einen Teil des aufgrund unelastischer ITeutronenstreuung in unter TTeutronenbeschuß stehenden Erdformationen auftretenden Gammastrahlungsspektrums zu messen. Dieser Vorschlag geht davon aus, daß Kohlenstoff und Sauerstoff erhebliche un-. elastische Querschnitte bei gleichzeitig verhältnismäßig kleinen Einfangquerschnitten aufweisen. Somit treten an den Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen in den das Bohrloch umgebenden Erdformätiönen erhebliche unelastische Streüungswech'selwirkungen mit den Beschußneutronen auf. Gammastrahlen, die sich aus der Wechselwirkung bei der unelastischen Neutronenstreuung ergeben, werden im nachfolgenden als unelastische Gammastrahlen bezeichnet. Alle Versuche in dieser Richtung waren jedoch-seither bestimmten Beschränkungen unterworfen insofern als der unelastische Streuquerschnitt von Kohlenstoff und Sauerstoff erst dann nennenswerte Werte annimmt, wenn für die Wechselwirkung verhältnismäßig energiereiche Neutronen zur Verfugung stehen. Es war seither schwierig, ausreichend große Mengen energiereicher Neutronen, zu erzeugen, um diese Art der Vermessung zuverlässig ausführen zu können. Die Entwicklung verbesserter gepulster Neutronenerzeuger hat jedoch die Messung des unelastischen Gammastreustrahlungsenergiespektrums in Erdformationen möglich gemacht, die mit Neutronen verhältnismäßig hoher Energie , bombardiert werden. In Versuchen wurden die unelastischen Streuwechselwirkungen von Kohlenstoff und Sauerstoff mit in

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gepulsten Neutronenerzeugern vom Deuterium-Tritium-Reaktionstyp erzeugten Neutronen von 14MeV geraessen. .

Bisher hat sich jedoch keines der vorgeschlagenen Verfahren, die auf diesem Prinzip beruhen, als zuverlässig erwiesen. Ein Hauptgrund, warum diese Versuche nicht von Erfolg gekrönt waren, ist, daß in der Erdrinde Kohlenstoff in erheblichen Mengen vorhanden ist. Außerdem bestehen Kallrsteihformatiohnen zum- großen .Teil aus Caleiumkarbonat,—sa daß eine wasser-~ führende Kalksteinformation aufgrund unelastischer Streuung möglicherweise mehr Kohlenstoff-GammaStrahlung erzeugen kann als Ölführender Sand oder Schiefer.

Durch Messung der Größe der Gammastrahlung* die aufgrund der unelastischen Streuwechselwirkungen der Neutronen an Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Silizium- und Kalziumkerhen ei>· zeugt wird und entsprechender Kombinierung öiööer Mfessungin in Kohlenstoff/Sauerstoff- und Slizium/Calciura~Verhäitni§s^, war es möglich» zweideutige Ergebnisse zu erholten. Diese Meßtechnik ermöglicht eine Auffindung Und Unterscheidung von Gaszonen und Kohlenstoffzonen mit niedriger lO^öeität,

Ein Problem, das aufkommt, auch dann, wenn die nUnttehr üüi* Verführe stehenden, verbesserten pepUlnten zur Ausführung der unelastischen

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verwendet werden, "besteht in der !verminderten Auflösimg der Gammastrahlung durch eine Impulsanhäufung. Die Impulsanhäufung ergibt sich daraus, daß das ganze System-einschließlich der elektronischen Schaltungen und des Bohrlochmeß-

kabeis eine einwandfreie Zählung nur mit einer endlichen momentanen Zählfolgegeschwiiidigkeit ausführen können. In diesem Zusammenhang ist außerdem der Abstand zwischen Neutronenquelle und Gammastrahlungsdetektor besonders kritisch im Hinblick auf die Einstellung der Zählfolgegeschwindigkeit auf einen den oberen Grenzwert der momentanen Zählfolgegeschwindigkeit des Systems nicht überschreitenden Zählwert. Zur Verbesserung der statistischen Genaugikeit der Messungen (die im allgemeinen eine .Funktion der gesamten Anzahl von Zählungen ist)~l-as-sen— sich- dex-Ab-stand—zwisehen-Quelle—und—-Detektor und die Impulsfolgegeschwindigkeit der gepulsten Neutronenquelle so verändern, daß die besten Ergebnisse erhalten werden. Die Zeitdauer jedes einzelnen Neutronenimpulses wird außerdem so kurz wie möglich gemacht (5 Mikrosekunden). Es ist möglich, einen Abstand zwischen Quelle und Detektor und eine Impulsfolgegeschwindigkeit vorzugeben, mit denen eine maximale Anzahl von Gesamtzählungen ohne Überschreitung des momentanen Zählfolgegeschwindigkeitsgrenzwerts des Systems möglich ist. Wenn die Impulsdauer so kurz wie möglich gehalten wird, wird außerdem die auf den. Einfang thermischer Neutronen zurückzuführende Zählfolge-

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geschwindigkeit herabgesetzt, da wie weiter unten erläutert, die Zeitdauer für den Aufbau eines derartigen thermischen Neutronenhintergrundes während des Impulses nicht ausreicht. Bei zu starker Steigerung der Impulsfolgegeschwindigkeit kann es jedoch dazu kommen, daß während des Zählintervalls für unelastische Gammastrahlung eine große thermische Neutronenbevölkerimg von einem vorhergehenden Neutronenimpuls vorhanden i st. Diese Schwierigkeit - läßt sich jj ed och überkommen s- -

Pur den Fachmann ist aus der vorstehenden Betrachtung der zur Optimierung der Meßgeschwindigkeit und Zählstatistik veränderlichen Parameter ersichtlich, daß diese nicht nur wechselseitig, sondern auch von physikalischen Parametern des vermessenen Bohrlochs abhängig sein müssen. So beeinflussen beispielsweise der Bohrlochdurchmesser, die Dicke von Verrohrung und Zementummantelung und die Art der Bohrlochflüssigkeit die Zählfolgegeschwindigkeiten der unelastischen Gammastrahlung. Zur Erzielung verarbeitbarer Zählfolgegeschwindigkeiten bei vertretbarem Abstand zwischen Quelle und Detektor, wobei auflösbare Gammastrahlungsimpulse erhalten werden sollen, die durch die Erscheinung der Impulshäufung nicht ernsthaft in Mitleidenschaft gezogen werden, ist es daher wünschenswert, die Neutronenimpulse mit hoher noch praktikabler Folgegeschwindigkeit zu wiederholen.

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Die Aufgabe der Erfindung "besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bohrlochvermessung zu schaffen, mit denen sich das Vorhandensein gasführender Sande in der Nähe uiedrigporöser Kalkst ein-(Karbonat) Zonen anzeigen läßt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung neuer und verbesserter Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Lage"der gasführenden Zonen" durch"Verwendung der"Messungen der unelastischen Streuung aufgrund des Kohlenstoffes, Sauerstoffes, Siliziums und Calciums in den das Bohrloch umgebenden Erdschichten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bohrlochmeßsystems, das gasführende Sande in ein Bohrloch umgebenden Erdforaationen unabhängig von dem Vorhandensein von Chlor in diesen Formationen direkt anzeigt»

Die Erfüllung dieser und weiterer Ziele, sowie die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem gepulsten Neutronen-Bohrlochsystem. Zeitabhängige Gatter-Einrichtuhgeh trennen die unelastische Gammastrahlung, die sich aus das Bohrloch umgebenden Erdformationen ergeben* Vier Energieintervalle oder "Energie-Fenster" sind in dem unelastischen Gammastrahlungs-Energiespektrum vorgesehen, deren Breite so

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ausgewählt ist, daß die unelastische Gammastrahlung de? Kohlenstoffes, des Sauerstoffen, des Sliziums und des Calciums erfaßt wird. Die Zählgeschwindigkeit in jeden dieser Energie-Fenster steht im umgekehrten Verhältnis 7-Ur₁ Vorhandensein von Wasserstoff. Daher ist die Beobachtung ces Überschreitens gewisser vorbestimmter Zählgeschwirdigkeiter: in einem vorgegebenen Bereich der Energie-Fenster eir. Anzeichen eines relativ niedrigen Fonnations-Wasserstoffgehaltes. Durch Vergleich der unelastischen Kohlenstoff/Sauerstoff- und Silizium/Calcium-Werte dieser Zone in entsprechender Weise, kann die lithologische Beschaffenheit dahingehend unterschieden werden, ob sie vorwiegend siliciumhaltig oder vorwiegend kohlenstoffhaltig ist. Eine Abschätzung bezüglich des Vorhandenseins von Kohlenwasserstoffgas in der Formation kann dann gemacht werden.

Diese und weitere Ziele, sowie die Merkmale und Vorteile der Erfindung sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargestellt. Die Erfindung ist am besten verständlich anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen ist:

Figur 1 ein schematisches Gesamtblockbild eines

BohrlochverweßsyptemH nach der Erfind'^nc,

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Figur 2 ein Zeitdiagramm, welches das Verhältnis von · Beschleuniger- und Detektor-"Einschaltzeit" in bezug auf Gammastrahlung zeigt, die durch μηΘίθΞΐΐβοΙι gestreute Neutronen und die thermischen Neutronen in der Nachbarschaft des Bohrlochs verursacht ist,

Figur—3 eine grafische Darstellung eines Gammastrahlungsspektrums, das sich aus der unelastischen Neutronenstreuung ergibt, mit Darstellung der gegenseitigen Lage der unelastischen Gammastrahlungsenergiefenster für Silizium, Calcium, Kohlenstoff und Sauerstoff,

Figur 4- eine grafische Darstellung des Kohlenstoff/ Sauerstoff-Verhältnisses als Funktion der Formationsporosität für mehrere unterschiedliche lithologische Formationsbeschaffenheiten und WasserSättigungsgrade aus Prüf- oder Versuchsformationsraessungen.

Figur 1 ist eine vereinfachte funktioneile Darstellung einer erfindungsgemäßen Bohrlochvermeßvorrichtung in Form eines Blockschaltbildes. Ein durch Erdformation 3 niedergebrachtes Bohrloch 2 ist mit einer Stahlverrohrung 4- ausgekleidet und

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mit einer Bohrlochflüssigkeit 5 gefüllt. Die Stahlverrohrung 4 ist vermittels einer Zementschicht 6 fest einzementiert, die gleichermaßen dazu dient, eine Flüssigkeitsverbindung zwischen nebeneinander liegenden Produktionsformationen in der Erde J zu verhindern*

Der innerhalb des Bohrlochs befindliche Teil des Meßsystems besteht grundsätzlich aus einem langgestreckten, flüssigkeitsdichten Hohlkörper oder Sonde 7i die während des Meßvorgangs in Längsrichtung durch die Verrohrung 4 durchgeführt wird und eine diesem Zweck entsprechende Größe aufweist. Das dargestellte Oberflächengerät, dessen Arbeitsweise weiter unten näher erläutert ist, dient zur Verarbeitung und Aufzeichnung der von der Sonde 7 gelieferten elektrischen Meßdaten. Ein Bohrlochmeßkabel 8, das über eine Rolle 9 geführt ist, hält die Sonde 7 innerhalb des Bohrlochs und bildet außerdem einen Verbindungsweg für elektrische Signale zwischen dem Oberflächengerät und der Sonde 7· Das Kabel 8 kann ein herkömmliches gepanzertes Bohrlochmeßkabel sein und eine oder mehrere elektrische Leitungen zur Übertragung derartiger Signale zwischen Sonde 7 und Oberflächengerät aufweisen.

Wie in Figur 1 dargestellt, enthält die Sonde 7 eine Quelle energiereicher Neutronen 11. Die hier zur Verwendung ins Auge gefaßte neutronenquelle ist oino gepulste Neutronenquelle, welche nach dem Prinzip der Deuterium-Tritium-

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Reaktion arbeitet. Für den Fachmann dürfte jedoch ohne weiteres ersichtlich sein, daß die Erfindung nicht auf diese Quelle "beschränkt ist. .Andere Typen gepulster Neutronenquelle!! können nach Wunsch verwendet' werden. Ein geeigneter Strahlungsdetektor mit einer Fotovervielf'acherröhre 10 und einem Detektorkristall 12 "befindet sich innerhalb der Sonde 7 und dient zur Anzeige von Gammastrahlung, die sich aus der unelastischen Streuung energiereicher Neutronen durch die das Bohrloch 2 umgehenden Erdformationen 3 ergibt. Ein Strahlungsschutz 15 aus Eisen, Bleich oder einem anderen geeigneten Werkstoff ist zwischen dem Neutronenbeschleuniger 11 und dem Detektorkristall 12 der Vorrichtung angeordnet. Außerdem kann ein Schutzschild 15 gegen thermische Neutronen in der dargestellten Weise um den Detektorkristall 12 herum wieder auf einem Innen- oder einem Außenwandabschnitt der Sonde vorgesehen sein. Eine Schutzscheibe 16 gegen thermische Nexxtronen ist zwischen dem Strahlungsschutz 13' und dem Detektorkristall 12 angeordnet und verringert die Wahrscheinlichkeit, daß thermische Neutronen zu dem Detektorkristall gelangen. Der Detektorkristall 12 kann aus mit Thallium dotiertem Natriumiodid, Cäsium^jodid oder einem anderen-, ähnlichen aktivierten Stoff bestehen und ist optisch mit dein Fotovervielfacher 10 gekoppelt.

Der Stahlungsschutz 13 verringert die Wahrscheinlichkeit

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einer direkten Bestrahlung des Detektorkristalls durch von der gepulsten Neutronenquelle oder dem Beschleuniger 11 emittierte Neutronen. Die Schutzscheibe 16 gegen thermische Neutronen und der den Detektorkristall umgebende Zylinder 15 können aus Bor oder einem beliebigen anderen geeigneten Material großen Einfangquerschnitts für thermische Neutronen bestehen. Der Schutzschild dient außerdem dazu, die Wahrscheinlichkeit herabzusetzen,- daß-sich auf -einem gewundenen Weg fortbewegende und durch die Bohrlochflüssigkeit 5 oder den Strahlungsschutz 13 verlangsamte thermische Neutronen in die Nähe des Detektorkristalls gelangen und möglicherweise zur Neutronenaktivierung von Jod oder anderen, im Kristall enthaltenen Elemente führen. Außerdem setzt der Schutzschild gegen thermische Neutronen die Wahrscheinlichkeit herab, daß thermische Neutronen, die von einem vorhergehenden Beschleunigerneutronenimpuls stammen, mit den Werkstoffen der Sonde selbst oder dem Detektorkristall selbst in Wechselwirkung treten und die Emission von Gammastrahlung während der Zeitdauer der Beobachtung der unelastischen NeutronergaTmastrahlung bewirken.

Der Szintillationskristall 12 erzeugt bekanntlich einen diskreten Lichtblitz beim Durchgang eines Gamma Strahls, der Energie rait dew Kristallgitter aust-aur-oht. Die Fotovervielfacherröhre 10 erzeugt einen Spannungsimpuls, dessen Höhe

proportional ist der Intensität der in dem Kristall 12 auftretenden Szintillation. Die Intensität der Szintillationen ist eine Punktion der Energie des den Lichtblitz verursachenden Gammastrahls, so daß die Amplitude eines durch die Potovervielfacherröhre 10 erzeugten Spannungsimpulses in einer ■bestimmten lunktionsbeziehung zur Energie des entsprechenden Gammastrahls steht. Diese von der Fotovervielfacherröhre 10 erzeugten proportionalen Spannungsimpulse stellen eine Detektorsignal dar, das über einen Diskriminator 18 einem Linearverstärker 17 zugeführt wird. Der Diskriminator 18 kann ggf. beispielsweise dazu verwendet werden, energieschwache Hintergrundgammastrahlung auszufiltern. Ein bestimmter. Vorspannungswert kann dazu verwendet werden, daß nur diejenigen Impulse der Fotovervielfacherröhre--10 durchgelassen—werd-en-f-we-lche— eine größere Höhe haben als die von Gammastrahlen "von 1,78 MeT, die- bei der unelastischen Neutronenstreuung durch Silizium erzeugt werden. Auf diese Weise läßt sich energieschwache Hintergrundgammastrahlung, sowohl im Kabel als auch im Elektronikteil, welche zur Impulsanhäufung beiträgt, eliminieren.

Der Neutronenbeschleuniger 11 wird vorzugsweise durch einen Impulsgeber 14 betrieben, der von an sich bekannter Ausführung sein kann und Beschleunigerimpulse kurzer Zeitdauer hervorruft. Die Steuerung des Impulsgebers 14 kann durch Takt-

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impulse von einem im Oberflächergerät befindlichen Taktgeber 39 erfolgen, die über Leiter des Kabels 8 zugeführt werden und außerdem einem im Bohrloch befindlichen Bezugswert-Impulsgeber 20 zugeführt werden. So kann beispielsweise der -Impulsgeber 14 durch einen von dem Taktgeber 39 ausgehenden Taktimpuls angesteuert werden, um einen Neutronenstoß bestimmter Zeitdauer zu emittieren. Die Stoßfrequenz wird dann durch den- OberfläGhentaktgeber 39 gesteuert. Der-Taktgeber 39 kann ggf. ebenfalls innerhalb der Sonde angeordnet sein. Für die erfindungsgemäß ausgeführten unelastischen Streumessungen ist es wünschenswert, Neutronenimpulse von mindestens 5 Mikro-Sekunden Dauer zu verwenden, die in periodischen Abständen von engenähert 5000 bis 20 000 oder mehr pro Sekunde wiederholt werden.

In Figur 2 ist die zeitliche Zuordnung der vorgenannten Neutronenstöße oder -impulse zur Gammastrahlungsdetektorperiode und der Bevölkerung an energiereichen und thermischen Neutronen dargestellt. Die Beschleunigerperiode ist durch die ausgezogene Linie 35 dargestellt. Die Bevölkerung an unelastischen Gammastrahlen in der Nachbarschaft des Detektorkristalls 12 ist durch die gestrichelte Linie 31 dargestellt. Die Bevölkerung pn thermischen Einfanggammastrahlen in der Nachbarschaft des Detektors ist durch die gestrichelte Linie "*>? dargestellt. Die Betriebsperiode des Detektors ist durch die

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getrennte, ausgezogene Kurve y\- dargestellt.

Vie ersichtlich, ist zu Beginn des 5 HikroSekunden dauernden Impulses der Neutronen entsprechend Kurve 33 der Detektor bereits seit etwa einer MikroSekunde aktiviert, wie durch die Kurve 34· angedeutet ist. Das \cLrd dadurch erreicht, daß das von dem Taktgeber 39 abgegebene Taktsignal an ein Signalgatter 22 angelegt wird-,- bevor es über das Kabel 8 "dem iiirBöhrlücii— befindlichen Impiilsgeber .14- zugeführt wird.

Es findet ein plötzlicher und schneller Aufbau der Bevölkerung an unelastischen Gammastrahlen entsprechend Kurve 31 statt, und dieser ist im wesentlichen nur während des Neutronenimpulses vorhanden. Die Bevölkerung an thermischen Einfanggammastrahlen entsprechend Kurve 32 wächst wesentlich langsamer an und erreicht einen Spitzenwert erst nach Ablauf des 5 TiikroSekunden dauernden Neutronenimpulses. Aus dem Diagramm der Figur 2 läßt" sich ersehen, daß die ITeutronenimpulse zeitlich weit genug auseinander liegen, so daß die Bevölkerung an thermischen Neutronen entsprechend Kurve 32 vor Auftritt des nächsten Impulses auf nahezu null abfallen kann. Im allgemeinen und besonderes bei höherer Impulshäufigkeit,. · sind jedoch im Zeitpunkt des Auftretens des nachfolgenden Neutronenimpulses immer noch einige Neutronen in der Nachbarschaft des Detektors vorhanden . In dienern Falle sind der

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Schutzschild 15 und die Scheibe 16, welche aus Bor bestehen und zum Schutz gegen thermische Neutronen dienen, besonders gut dazu geeignet, auf diese Quelle zurückzurührende unerwünschte GammaStrahlungsanzeigen durch schnelle Absorption dieser thermischen Neutronen zu verringern.

Zurückkommend auf Figur 1 läßt isch unter Beachtung dieser zeitlichen Reihenfolge ersehen, daß während der Betriebszeit des Neutronenbeschleunigers 11 die von der Fotovervielfacherröhre 10 abgegebenen Ausgangssignale über den Diskriminator 18 und den Linearverstärker 17 an einen Kalberverstärker 19 bekannter Ausführung abgegeben v/erden. Ein Bezugssignal bekannter Amplitude wird außerdem durch den Impulsgeber 20 an den Eingang-des 'Drskrimin?torfr-18 angelegte Der-von-dem in" dem Bohrloch befindlichen Impulsgeber 20 gelieferte Bezugsimpuls wird in einem Verstärkungpregler oder Spektrumstobilisator 23, der übertragen angeordnet ist, dazu verwendet, den Verstärkungsgrad des Systems in der in einer weiteren Patentanmeldung derselben Anmelderin beschriebenen Weise zu steuern. Diese Steuerung erfolgt natürlich in der Hauptsache zwischen Neutronenimpulsen, da der Spektrumstabilisator 23 kontinuierlich oder in einer gewünschten Folge mit Signalen von dem Impulsgeber 20 beschickt werden kann.

Da sowohl der im Bohrloch befindliche Impulsgeber 14 als auch

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das im Oberflächengerät befindliche Signalgatter 22, welche die Zeitwahl der von der Bohrlochsonde abgegebenen Datenim.pu.lse steuern, von ein und demselben Taktgeber 39 angesteuert werden, ist offensichtlich, daß ein synchroner Betriebvon Oberflächengerät und Bohrlochsonde aufrecht erhalten werden kann. Die Datensignale können nach Ankommen an der Oberfläche in einer solchen Weise gesteuert werden, daß zeitlich in bestimmter Weise in bezug auf die Neutronenemission abgestimmte Signalabschnitte verarbeitet werden, wie weiter oben anhand .Figur 2 erläutert worden ist. . -

Für den Fachmann dürfte ohne weiteres ersichtlich sein·, daß elektrische Energie von einer (nicht dargestellten) an der Oberfläche be.findlich.en... (.nicht, dargestellt en) Stromquelle über das Bohrlochmeßkabel 8 zu der im Bohrloch befindlichen Sonde 7 abgegeben werden kann, auch wenn dieses nicht in Figur 1 dargestellt ist. In der Sonde 7 befinden sich entsprechende (nicht dargestellte) Speisewuellen zur Speisung des im Bohrloch befindlichen Teils der Vorrichtung.

Die Ausgangscignale des Gatters 22 bestehen aus einer Zählimpulsfolge, die sich aus von dem im Bohrloch befindlichen Detektorkristall 12 und der Fotovervielfacherröhre 10 während df-\<3 Betriebsintnrvalls den Feutronenbeschleunigers 11 aufgefangenen Gammastrahlen ergibt. Diese Impulse stellen Daten hauptsächlich von Gammastrahlen dar·, die von der Anregung von

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Kernen in der Nachbarschaft des Detektorkristalls .stammen, welche durch unelastische Streuung der von dem Beschleuniger 11 emittierten Neutronen erregt worden rand. Die auf die unelastischen Gammastrahlen zurückzuführenden Signale v/erden einem Impulshöhenanalysator 24 zugeführt.

Der Impulshöhenanalysator 24 kann von bekannter Ausführung sein und v/eist beispielsweise vier oder mehr Kanäle oder Energie-, Unterteilungen auf, welche den Quantisierungen der Impulshöhen der Eingangsimpulse entsprechen. In dem Impiü shöhen-· analysator 24 wird die laufende Summe der eingehenden Impulse in mehrere Speicherstellen oder -kanäle auf der Grundlage der Höhen der zugeführten Impulse sortiert. Die Speicherkanäle stehen in direkter Beziehung zur Energie der den Impuls auslösenden Gammastrahlen. Das Ausgangssignal der. Impuls™ höhenanalysators 24 besteht bei der Erfindung aus Zählimpulsen in jedem der vier ausgewählten in Figur 3 dargestellten Energiebereichen oder -fenstern.

In Figur 3 ist die relative Zählfolgegeschwindigkeit als Funktion der Energie in Form der Kurve 51 dargestellt. Die Kurve 52 zeigt die gleiche Zählfolgegeschwindigkeit, multipliziert mit dem Faktor 4, und ermöglicht eine bessere Erkennung von Einzelheiten. Es sind vier Lnergiefenster vorhanden, welche Silizium (abgekürzt Si) , Giilciuia (abgekürzt Ca), Kohlenstoff (abgekürzt C) und Sauerstoff (abgekürzt 0) ent-

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sprechen. Zur Ausführung de.s erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als zweckmäßig gezeigt, ein Kohlenstoffenergiefenster im Bereich von 3₅17 his 4-,65 MeV zu verwenden. Das Sauerstoffenergieferster erstreckt sich vorzugsweise von 4,86 his 6,3'+ MeV. Das Silisiumfenster liegt im Bereich von 1,65 his 1,86 MeV, während das Calciumfenster den Bereich von 2,5 his 3i3 MeV einnimmt. Mit dieser Bereichszahl für die Energiefenster werden der Spitzenwert der unelastischen Gammastreustrahlung von 4", W TieV"für "K'öhi~enst"öfr"iintlr~äer~^ ~ Sptizenwert der unelastischen_Gamastreustrahlung..von 6,13 MeV für Saierstoff zusammen mit ihren entsprechenden Einfach- und Doppelpaar-Entkommens-Spitzenwerten (single and double pair production escape peaks) umfaßt. Die optimale Wahl des Energiehereiches .für das Siliziumfenster schließt den Photospitzenwert für Silizium hei 1,78 MeV ein. Das in Figur 3 dargestellte Calciumenergiefenster schließt aufgrund von Kohlenstoffinterferenz den Calcium-Photo-Spitzenwert hei 3,73 MeV aus, umfaßt jedoch die entsprechenden Einfach- und Doppel-Entkommens-Spitzenwerte. Selhstverständlich läßt sich die Lage dieser Energiefenster nach Wunsch geringfügig verändern, ohne änderungen der erfindungsgemäßen Lösung herbeizuführen. ·

Die Anzahl der in jedem der vier Energiefenster (C,0, Si und Ca) v/ährend des Zeitintervalls (von 7 MikroSekunden) auftretenden Zählungen, in dem die vom im Bohrloch "befindlichen

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Detektor abgegebenen Signale über das Gatter 22 dem Impulchöhenannlysator zugeführt werden, ergeben am Ausgang des Impulshöbenanalysators 2¹V vier getrennte Digitalsignale. . Diese Signale werden einem Aufzeichnungsgerät J>0 zugeführt, das diese als Funktion der Bohrlochtiefe aufzeichnet, dos wie durch die gestrichelte Linie 4Λ elektronisch oder mechanisch mit der Rolle 9 gekoppelt ist. Diese vier separaten Digitalsignale können somit als Funktion der Bohrlochtiefe, wie aus Figur 1 zu ersehen, aufgezeichnet werden. Weiterhin können die vier Signale einer anderen Datenverarbeitungsanlage 28 zur Bestimmung der Wassersöttigung, der Porosität oder anderer interessierender Daten, z.B. nach Daten gemäß der US-Patentanmeldung Serial No. 182,035 (T 72 068) des gleichen Antneüders, zugeführt Werden. Zusatzlich werden die Ausgangssignale vom ImpulshöhenanolyF-ator 24, die im Kohlenstoff- und im Sauerstoff-Energie-Fenster auftreten C/O-Verhäütnisrecbner 25 zugeführt. Das Ausgangssignal des C/O-Verhältnisrechners 25 beaufschlagt eine Bohrspur des AufzeichnungsgnrHtes 30 sls Funktion der Bohrlochtiefe. Ebenso werden die Ausgorigssignale des Impulshöhenynylasebor 24·, resultierend aus der unelastischen Gammastrahlung in den Silizium- und Colcium-Enerpie-Fenstern,· einem Si/Ca-Vorhältnisrechner 26 zugeführt, der das Verhältnis ausrechnet und an da:; Aufzeichnungsgerät 30 vreitergibt, in dem eine andere B ■ spur* berm Γ schlagt wird, auf der das Si/Ca-Verhältnis als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet wird.

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Pmy'ro BAD QRIGiNM.

In der vorliegenden Erfindung werden mindestens sechs Bahnspuren des Aufzeichmmgsgerätes 30'^zur Aufzeichnung des Kohlenstoffes, des Sauerstoffes, des Silizium, des Calciums, des C/O-Verhältnisses und des Si/C'a-Verhältnisses als Funktion der Bohrlochtiefe "benötigt.

Messungen unter Versuchsbedingungen mit einem.Bohrlochmeßsystem der in Figur 1 dargestellten Ausführung in mehreren Versuchsformationen unterschiedlicher Beschaffenheit haben 7Λ\ Ergebnissen, geführt, die in Figur 4-,grafisch dargestellt sind. Die in Figur 4- mit f.\ bezeichnete Kurve stellt das relative Zählverhältnis in den Kohlenstoff- und Sauerstoff-Zählfenstern für mehrere unterschiedliche Sandsteinformationsporositäten-beieinem--Wasse-r-sät-ti gungsg-r-ad—von 100-%~ dar-.- -D-i-e— mit fp bezeichnete Kurve stellt das Kohlenstoff/Sauerstoff-Zählverhältnis in Sandsteinformationen bei 0 % Wassersättigung dar. In entsprechender Weise zeigen die Kurven f, und fjN die Ergebnisse von Messungen in Kalksandsteinformationen unterschiedlicher Porositäten mit jeweils 100 % bzw. 0 % Wassersättigung. Die gestrichelten Kurven 53 und 5^· (Figur 4) stellen jeweils die Kurven 50 %iger WasserSättigung für Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnismessungen in Kalkstein- bzw. in Sandsteinformationen dar. Aus den Kurven der Figur 4 ist ersichtlich, daß in Formationen hoher Porosität eine Kohlenstoff/Sauerstoff "Verhältnismessung für sich alleine genommen normalerweise zu Fehldeutungen in Bestimmung entweder der

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Formationsmatrix oder der Uassersättigung führt, da bei beispielsweise über ⁷jQ % beitragenden Porositäten ein Kohlenstoff/Sp.uerstoff-Zählverhäl tnis im Bereich von 1 ,6 "bis 1,75 entweder einen mit Wasser gesättigten Kalkstein entsprechend Kurve f-, oder einen mit Öl gesättigten Sandstein entsprechend Kurve fp darstellen.-kann.

Wie bereits vorstehend diskutiert, resultierten anomale Ergebnisse in der Vergangenheit bei Versuchen zur Lokalisierung von Gsszonen daraus, daß die früheren Messungen wesentlich von dem Vorhandensein von Chlor abhingen und von dem Unvermögen Gasvorkommen von Karbonat-Zonen mit niedriger Porosität zu unterscheiden. Speziell waren wassergesättigte Kalksteinformationen, mit niedriger Porosität nicht von gasführenden Sänden mit höherer Porosität zu unterscheiden.. Das rührt her von dem Fakt, daß beide der vorgenannten Formationstypen einen relativ niedrigen Wasserstoffgehalt aufweisen. Bei der vorliegenden Erfindung werden die Zählfolgegeschwindigkeiten in jedem der einzelnen Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Silizium- und Calcium-Energie-Fenster gemessen und aufgezeichnet. Es soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß Wasserstoff ein starker Moderator von Neutronen ist. Treffen somit die energiereichen Neutronen von der Sonde 7 auf eine Formation mit hohem Wasserstoffgehalt, ergibt· sich daraus eine niedrigere Zählfolgegeschwindigkeit im unelfi;:.!, i neben Gamma strahlungs-

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Energiespektrum. Durch Messung der Zählfolgegeschwindigkeiten individuell für die Kohlenstoff-, die Sauerstoff-, die Silizium- und CaleiumkoTirponenten des unelastischen Gammastrahlungs-Energiespektrums und Beobachtung nach einer Region mit einer hohen Zählfolgegeschwindigkeit (relativ niedriger V/oSferstoffindex) in allen Energie-Fenstern, wird das erste Kriteriura sur Ermittlung einer Gasz.one begründet. Dieses Kriterium eliminiert nicht die Möglichkeit, daß es sich um einen Formationsintervall-niedrigerer Porosität handelt, wie es in Kalkste.informationen gemeinhin vorkommt.

Wenn die Sonde vorher geeicht ist, so daß das Kohlenstoff/ Sauerstoff- und Siliziura/Calcium-Verhältnis bekannt ist, kann man dieses als Grundlinie fungieren, um von diesen Verhältnissen bestimmen zu können, ob der gegebene Kohlenstoff/ Sauerstoff- und Silizium/Calcium-Wert für einen Kalkstein oder einen Spndsteih repräsentativ ist. Wenn der C/O-Wert in der entsprechenden Zone hoher ist als in dem geeichten wasserführenden Sand und der Si/Ca-Vert ist niedriger, kann die Zone als fine Kslk'steinzone interpretiert werden. Jst jedoch, der O/O-Vert und der Si/Ca-Vert etwa der gleiche wie in dem geeichten \*asserführenden Band, kann ein Kalksteinvorkomer. r^Tgesohlocson werden.

Die Verfahrensweise zur Lokalisierung von Gaszonen besteht

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darin, erst einmal 7-onen mit einer hohen Zählfolgegeschwindigkeit in den vier einzelnen Energie-Fonstern (für G, O₁ Si und Ca) zu bestimmen. Dies ist ein GbaraVteristikum entweder von einer gasführenden Zone oder einer Zone mit niedriger Porosität. Bann verden das errechnete ITohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnis vom Verhäl!,nisrechner 25 und das S LIi ziurn/Calcixm-Verhältnis vom Verhältnisrechner 26 (riehe Figur 1) mit den entsprechenden Werten, die in einem bekannten wasserführenden Sand erhalten wurden, verglichen. Ist der Kohlenstoff/ Sauerstoff-Wert in der zu untersuchenden Zone höher als in dem wasserführenden Sand, und ist der Silizium/Calzium-Wert niedriger als in den Eich-Sand, handelt es sich aller Voraussicht nach um eine Kalksteinzone. Entspricht jedoch der Kohlenstoff /Sauerstoff- und der Silizium/Calcium-Wert in etwa den bekannten Werten des wasserführenden Sands, handelt es sich wahrscheinlich um eine Gaszone. Eine kleine Unsicherheit verbleibt zwischen niedrig porösen wasserführenden

Sänden und höher porösen Gassänden, da "beide einen relativ niedrigen Wasserstoffgehalt und daher eine hohe Zählfolgegeschwindigkeit aufweisen und gleicheKohlenstoff/Sauerstoff- und Silizium/Calcium-Verhältniswerte haben. Solche normwidrigen Ergebnisse können mittels unabhängigen Porositätsinformationen unterschieden werden, die mit einem anderen Bohrlochvermessungssystem, wie z.B. eine Schallmeß-Apparatur. In der Praxis tritt diese mögliche Fehlerquelle nicht so oft

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auf, daß sie von größerer Bedeutung wäre. Die Verwechslung zwischen niedrig porösem Kalkstein und gasführenden Sonden v;ar fixe am meisten vorherrschende Unzulänglichkeit früherer Gasmeß-Systeme.

Durch Zusammenfassung der Techniken der vorliegenden Erfindung mit der Beobachtung der einzelnen unelastischen Gammastrahlungs-Zählfolgegeschwindigkeiten in- den-Energie—Fenstern für Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Calcium zusammen, wurde' ein Verfahren-zur Unterscheidung' zwischen niedrig porösem Kalkstein und gasführendem Sand entwickelt.

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Claims (11)

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   P a t e η t a. η β ρ r ü c h e

   Ό Verfahren zur Unterscheidvir.g natürliches Kohlenv.^r9sser=toffgas führender Formationen von waüsergesaftigten Kalk?tein-fornationen niedriger Porosität, die von einen Bohrloch durchdrungen sind, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Teufe eines Bohrloches bestimmt wird, die einen relativ niedrigen Wasserstoffgehalt in der FormatJon aufweist, daß in der Formation rrit relativ niedrigen Wes.serstoffgehalt das relative Kohlenstoff/Sauerstoff- und Silizium/Calciun-Verhöltnis der unelastischen Noutrcner.-Ganmastreustrahlungf!-7ählung bestimmt v/ird und cL?ß der ungefähre Anteil an Kalkstein in der Formation, basierend auf dem Kohlenstoff/Sauerstoff- und Silizium/Calciun-Verhältnis errechnet wird, wobei die gasführenden Zonen von v/assergesättigten Kalksteinzonen niedriger Porosität unterschieden werden.
2. 2) Verfahren 'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Errechnen der; ungefähren KaIkr.teinnnteils durch Vergleich den Kohlenstoff/ßauerstoff- und Silizium/Calcium-Verhältnipses cU;v untersuchtcn Porno-

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   tion mit den korrespondierenden Kohlenstöff/Sauerstoff- und Silizium/Calcium-Verhältnissen eines "bekannten \rassergesättigten Sandes in der Bohrung durchgeführt wird und daß ein hoher ungefährer Kalksteinanteil der-untersuchten Formation abgeleitet wird, wenn das Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnis der untersuchten Formation größer als in dem bekannte!? vra ε ε ergesättigt en Sand und das Silizium/

   CaIcium-Verhältnis der untersuchten- Formation-niedrig-er

   als in dem wassergesättigten Sand ist.
3. 3) Verfahren nach'Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Ortsbestimmung der
   Formation mit relativ niedrigem Wasserstoffgehalt durch Wiederbringen einer mit einer gepulsten Neutronenquelle und einem Gammastrahlungs-Detektor versehenen Sonde in das Bohrloch durchgeführt wird und daß in vorgewählten Bereichen des Gammastrahlungs-Energiespektrums die Anzahl der Gammastrahlen gemessen wird, die durch unelastische Neutronenstreuung des das Bohrloch umgebenden Haterials erzeugt werden. ·
4. 4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorge-

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   wählten Energie-Bereiche bzw. Energie-Fenster des Gar.restrahlungs-Energiespektrums so ausgewählt werden, daß sie die Energie-Bereiche für Gammastrahlung beinhalten, die durch die Kerne des Kohlenstoffes, des Sauerstoffes, des Siliziums und des Calciums, durch Erregung aufgrund der unelastischen Neutronenstreuung, erzeugt werden.
5. 5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Zählungen bzw. Zählfolgen, die in jeden der vorgewählten Energie-Bereiche des GaramaStrahlungs-Spektrums aufgrund der unelastischen Neufcronenstreuung-durch.die-erregtes-Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Silizium- und Calciurakerne auftreten, als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichne·*; werden.
6. 6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis= der Zählungen aufgrund der unelastischen Gammastrahlung, die im Kohlenstoff/Sauerstoff und Silisium/Calcium Energiebereich df;ε Gamma ntr^hliincß-Energiespektruins auftritt, ale Funktion der Tiefe der Sonde im Bohrloch aufgeseichnot werden.

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7. 7) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß "iir Errecr.rrarig: des ungefähren Kalksteinanteiles zuvor das GanriastrshTur.gs-Zäblfolgeverhältnis unelastischer Neutronenstreuung· von Kohlenstoff/Sauerstoff und Silizium/Calcium für einen "bekannten wassergesättigten Sand in der Bohrung bestirnt wird, um eine Eichbasis zu erhalten, und daß das vorgenannte Zählfolgeverhältnis der untersuchten Formation riit cer Eichbasis verglichen wird, um den ungefähren Kalksteinanteil der untersuchten Formation zu bestimmen.
8. 8) Verfahren zur Durchführung radiologischer Bo.hrlochverraessungen, um natürliches Kohlenwasser st off gas führende Zonen von wassergesättigten Kalksteinzonen niedriger Porosität unterscheiden'zu können, dadurch g e .kennzeich.net , daß in einer Sende eine gepulste Neutronenquelle und ein Gammastrahlungs-Detelctor in eir.e · Bohrung niedergebracht wird, daß wiederholt in die das Bohrloch umgebende Formation Impulse schneller "eutronen von relativ kurzer Zeitdauer eingegeben werden, daß primär wfihronc¹ der Neutronenimpulse die von einer Anzahl vorgewältor Kerne innerhalb der die Bohrung umgebende Fornarior. hoTriihrende Gnm!Tinsi;rahlnpp;, vrvc'.v-'¹. durch unplostisc'r:. gsst.foute Neutronen, gernes.sen wird, daß aufgrund der gemesse

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   nen Strahlung, die Lage der relativ wenig Wasserstoff enthaltenden Formation in der Bohrung "bestimmt vircT, ce3 aus der gemessenen Strahlung die relativen Verhältnisse der unelastischen Gammaßtrahlungs^ählung-er. von mindestens zwei vorgewählten Elementpaaren (sets of clener-tn) in der das Bohrloch umgebenden Formation mit relativ niedrigem Wasserstoff gebalt bestimmt werden und daß euigrur.r. der vorgenannten Verhältnisse der ungefähre Kalksteinanteil dor Formation errechnet wird, wobei Gaszonen vor. vrsss^crgesättigten Kalksteinformationen niedriger Porosität unterschieden werden.
9. 9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e Y e η η -

   daß

   zeichnet "^sIs vorgewählte Kerne, deren aufgrund unelastischer Neutronenstreuung gemessen wire, Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Silizium- und CaIciun!-:erne verwendet'werden.
10. 10) Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet , daß die I'agebestir.Tniir?- der Formationen mit relativ niedrigem Vasserstoffanteil zirkel ε Bohrlochvermespung els Funktion rl er Tiefe eier Scnr.e. r"«-" Zählfolgegeschwindigkeit der unelastisch«!! uasnestrfir.lv.ne'

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    in jedem Energie-Bereich (C, O, Si₄ Ca) des Gannaotratlungs-Energiespektruros und der Bestimmung der "onen, in denen die Zählfolgegeschwindigkeit in jedem dieser Energie-Bereiche relativ hoch ist, "bestimmt wird.
11. 11) "Verfahren nach einem der Ansprüche 8 "bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Errechnung des ungefähren Kalksteinanteiles in der Formation, basierend auf den Verhältniswerten, durch Vergleich der relativen unelastj sehen GammastrablungszäblfolgeverhältniRse von Kohl enstoff/Sauerstoff und Silizium/Calcrira eines "bekannten v/a R 5 erfuhr end en Sandes in dem Bohrloch mit der. korrespondierenden Verhältnissen der zu untersuchenden Formation durchgeführt wird, vrobei dde Häufigkeit von Kalkstein relativ zum bekannten waεserführenden Sand abgeschätzt wird.

    .12) Verfahren noch einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r- c h gekennzeichnet , daß die Zählfolgenverheltnisse von Kohl enstoff /Sauer stoff und Sili^iuci/Celciur ebenfalls als Funktion der Tiefe der Sonde im Bohrloch registriert werden.

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