DE2245931B2 - Geophysikalische messeinrichtung - Google Patents

Description

ausgeführt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch Rechengeräte, die die Formationsporosität Φ als Funktion der Zählfolgegeschwindigkeiten in den gewählten Energiebereichen gemäß der Gleichung

ermitteln, in welcher M und N Eichkonstanten der Bohrlochsonde und des Bohrlochdurchmessers sind.

)ie Erfindung bezieht sich auf eine geophysikalische Qeinrichlung zur Ermittlung der ölführenden geolohen Schichten in der Umgebung eines Bohrloches Anwesenheit von Formationswasser niedriger nilät mit Hilfe von ßohrlochmeßtechnikcn zum eugen von Gammastrahlung durch inelastische :uung schneller Neutronen.

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, daß eine öl oder Gas liefernde Formation dadurch gefunden werden kann, daß eine Neutronenquelle durch das Bohrloch herabgelassen und die sich durch den Neutronenbeschuß ergebende Intensität der sekundären Gammastrahlung als Funktion der Bohrlochtiefe gemessen wird.

Insbesondere ist der Chlor-Kern, der einen sehr hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen aufweist (welcher größer ist als der von Kernen anderer üblicherweise vorhandener Elemente), ein guter Indikator für das Vorhandensein von Salzwasser. Daher haben mit Salzwasser gefüllte Kalkstein- oder Sandsteinschichten 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 Weise durch Messung entweder der Chlor-Einfangsgammastrahlung oder der Halbwertzeit- oder Zerfallskonstanten der thermischen Neutronenbevölkerung in der in Frage stehenden Schicht ermittelt.

Diese vorgenannten Verfahren zum Auffinden von Salzwasser 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 Natriumchloridmenge in der Flüssigkeit beruht. Es gibt zur Zeit kein Bohrlochmeßverfahren, mit dem bei niedrigem Wassersalzgehah ein Unterschied zwischen öl und Wasser in Erdformationen feststellbar ist. So ist beispielsweise für die genannte Chlor- oder Neutronenhalbwertszeitmessung ein Salzgehalt des Wassers von mehr als etwa 30 000 ng Natriumchlorid pro g Wasser erforderlich, damit in den Formationsporen befindliches öl zuverlässig von Wasser unterschieden werden kann.

Aus diesen Gründen hatte man einen Teil des aufgrund unelastischer Neutronenstreuung in unter Neutronenbeschuß stehenden Erdformationen auftretenden Gammastrahlungsspektrums gemessen. Dabei wird davon ausgegangen, daß Kohlenstoff und Sauerstoff erhebliche unelastische Querschnitte bei gleichzeitig verhältnismäßig kleinen Einfangquerschnitten aufweisen. Somit treten an den Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen in den das Bohrloch umgebenden Erdformationen erhebliche unelastische Streuungswechselwirkungen 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 Verfügung 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 gepulsten Neutronenerzeugern vom Deuterium-Tritium-Reaktionstyp erzeugten Neutronen von 14 MeY gemessen.

Bisher hat sich jedoch keines der bisherigen 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 Außerdrsn bestehen Kalksteinformationen zum großen Teil aus Calciumkarbonat, so daß eine wasserführende Kalksteinformation aufgrund unelastischer Streuung möglicherweise mehr Kohlenstoff-Gammastrahlung erzeugen kann als ölführender Sand oder Schiefer. Weiterhin hat sich gezeigt, daß das Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnis eine Funktion der Porosität ist Wie sich weiterhin gezeigt hat, läßt sich jedoch der Wassersättigungsgrad von Er^formationen in der nachstehend beschriebenen Weise durch Messung des Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses messen.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Messung unelasti scher Gammastrahlung ergibt sich daraus, daß die durch unelastische Neutronensireuung erzeugte Gamma strahlung selbst wiederum eine mehrfache Compion-Streuung hervorrufen kann. Die Gammastrahlungs- streuung bewirkt im allgemeinen einen gewissen Energieverlust der Gammastreustrahlung bei jedem Wechselwirkungsvorgang. So kann ein Gammasrahl mit einer bestimmten Anfangsenergie, der durch unelastische Streuung eines Neutrons an einem Kohlenstoff- oder Sauerstoffkern erzeugt wird, eine völlig andere Energie aufweisen (die als Anfangsenergie angesehen werden könnte) sobald der Strahl den in der Meßsonde befindlichen Detektor erreicht. Aufgrund dieses Vorganges werden unelastische Gammastrahlungsenergiespektren im allgemeinen überdeckt oder verwischt.

Auch dann, wenn die nunmehr zur Verfügung stehenden, verbesserten gepulsten Neutronenquellen zur Ausführung der unelastischen Neutronenstreuungsmessung verwendet werden, muß die Neutronenausgangsleistung auf eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Neutronen während jedes Impulses begrenzt werden, um zu vermeiden, daß eine lmpulsanhäufimg in der Elektronik des Systems das Signal zerstört und die Auflösung der Formationsgammastrahlung unmöglich macht. Die Impulsanhäufung ergibt sich daraus, daß das ganze System einschließlich der elektronischen Schaltungen und des Bohrlochmeßkabels eine einwandfreie Zählung nur mit einer endlichen momentanen Zählfolgegeschwindigkeit 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 Genauigkeit der Messungen (die im allgemeinen eine Funktion der gesamten Anzahl von Zählungen ist) lassen sich der Abstand zwischen Quelle und Detektor und die Impulsiolgegeschwindigkcii der gepulsten Neutronenquelle so verandern, daß die besten Ergebnisse erhalten werden. Die Zeitdauer jedes einzelnen Neutronenimpulses wird außerdem so km/ wie möglich gemacht (5 Mikrosekundeii). 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 während der einzelnen Meßintervalle für unelastische Gammastrahlung, die mit der Neutronenimpulsdauer zusammenfallen, möglich ist Wenn die Impulsdauer so kurz wie möglich gehalten wird, wird außerdem die auf den Einfang thermischer Neutronen zurückzuführende Zäblfoigegeschwindigkeit herabgesetzt, da wie weiter unten erläutert, die

ίο Zeitdauer für den Aufbau eines derartigen thermischen Neutronenhintergrundes während des Impulses nicht ausreicht. Bei zu starker Steigerung der Impulsfolgege schwindigkeit kann es jedoch dazu kommen, daß während des Zählintervalls für unelastische Gammasüahlung eine große thermische Neutronenbevölkerung von einem vorhergehenden Neutronenimpuls vorhanden ist. Diese Schwierigkeit läßt sich jedoch überkommen.

Für oen 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 Gammastrah!unj;simpulse erhalten werden sollen, die durch die Erscheinung der Impulshäufung nicht ernsthaft in Mitleidenschaft gezogen werden, ist es daher wünschenswert, die Neutronenimpulse mit hoher Folgegeschwindigkeit zu wiederholen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aulgabe besteht daher darin, eine Meßeinrichtung zu schaffen, mit der sich Informationen erhalten lassen, welche das Vorhandensein ölführender Formationen in Erdstrukturcn verhältnismäßig niedrigen Salzgehalts anzeigen und insbesondere zur Bestimmung des Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses in den ein Bohrloch umgebenden Erdformationen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß gelöst, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt. Die geophysikalische Meßeinrichtung verwendet demnach vier energieabhängige Fenster oder Intervalle in dem Gammastrahlungsenergiespektrum. Zeitabhängige Gatter trennen Gammastrahlen, welche sich aus unelastischer Streuung von Neutronen durch das Bohrloch umgebende Erdformationen ergeben. In dein unelastischen Garnmasirahlungsenergiespektrum sind vier Energiefenster so angeordnet und in ihrer Breite so bemessen, daß unelastische Gammastrahlung von Kohlenstoff, Sauerstoff. Silizium und Calcium ermittelt wird. In den Kohlenstoff- und Sauerstoff-Fenstern oder in irgendeiner Fensterkombination auftretende Gammastrahlung

do kann als Indikator der Formaiionsporosität benutzt werden. Das ermittelte Kohlenstoff/Sauerstoff-Vcrhälinis wird als Anzeige für das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen in dem Porenraum der Erdforn-ationen, und das Siliziiim/Calcium-Verhähnis als Anzeige

(VS für die lithologischc Beschaffenheit der Formation verwendet. Durch entsprechendes Zusammenfassen der Messungen des Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses und des Siliz.ium/C'alciuin-Verhällnisses und der Schal/-

werte der Formationsporositäl läßt sich der Wassersättigungsgrad Siv der das Bohrloch umgebenden Formationsmatrix berechnen und als Funktion der Tiefe der Bohrlochsonde innerhalb des Bohrlochs vermessen. Optimalwerte des Abstandes zwischen Quelle und Detektor, der Neutronenimpulsdauer und der Neutronenimpulsfolgegeschwindigkeiten zur Erzielung der vorgenannten Ergebnisse werden offenbart.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert, in denen ist

F i g. 1 ein schematisches Gesamtblockschaltbild einer Bohrlochmeßeinrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Zeitdiagramm, welches das Verhältnis von Beschleuniger- und Detektor-»Einschaltzeit« in bezug auf Gammastrahlung zeigt, die durch unelastisch gestreute Neutronen und die thermischen Neutronen in der Nachbarschaft des Bohrlochs verursacht ist,

F i g. 3 eine grafische Darstellung eines Gammastrahlungsspektrums, das sich aus der unelastischen Neutronenstreuung ergibt, mit Darstellung der gegenseitigen Lage der unplastischen Gammastrahlungsenergiefenster für Silizium, Calcium, Kohlenstoff und Sauerstoff,

F i g. 4 eine grafische Darstellung des Kohlenstoff/ Sauerstoff-Verhältnisses als Funktion der Formalionsporosität für mehrere lithologische Formationsbeschaffenheiten und Wassersättigungsgrade aus Prüf- oder Versuchsformationsmessungen.

Ein durch Erdformationen 3 niedergebrachtes Bohrloch 2 ist mit einer Stahlverrohrung 4 ausgekleidet und mit einer Bohrlochflüssigkeit 5 gefüllt. Die Stahlverrohrung 4 ist mittels einer Zementschicht 6 fest einzementiert, die gleichennaßen dazu dient, eine Flüssigkeitsverbindung zwischen nebeneinanderliegenden Produktionsformationen in der Erde 3 zu verhindern.

Der innerhalb des Bohrlochs befindliche Teil der Meßeinrichtung hat einen langgestreckten, flüssigkeitsdichten Hohlkörper oder Sonde 7. die während des Meßvorgangs in Längsrichtung durch die Verrohrung 4 durchgeführt wird und eine diesem Zweck entsprechend 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 Fig. 1 dargestellt, enthält die Sonde 7 eine Quelle energiereicher Neutronen 11. Hier wird eine gepulste Neutronenquelle verwendet, welche nach dem Prinzip der Deuterium-Tritium-Reaktion arbeitet. Andere Typen gepulster N ;utronenquellen können nach Wunsch verwendet werden. Ein geeigneter Strahlungsdetektor mit einer Fotovervielfacherröhre 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 umgebenden Erdformationen 3 ergibt Ein Strahlungsschutz 13 aus Eisen, Blei oder einem anderen 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 entweder auf einem Innen- oder einem Außenwandabschnitt der Sonde vorgesehen sein. Eine Schutzscheibe 16 gegen thermische Neutronen ist zwischen dem Strahlungsschutz 13 und dem Detektorkristall 12 angeordnet und verringert die Wahrscheinlichkeil, daß thermische Neutronen zu dem Detektorkristall gelangen. Der Detektorkristall 12 kann aus mit Thallium

ίο dotiertem Natriumiodid, Cäsiumjodid oder einem anderen, ähnlichen aktivierten Stoff bestehen und ist optisch mit dem Fotovervielfacher 10 gekoppelt.

Der Strahlungsschutz 13 verringert die Wahrscheinlichkeit 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 anderen Material großen Einfangquer-Schnitts 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 Elementen führen. Außerdem setzt der Schutzschild gegen thermische Neutronen die Wahrscheinlichkeit herab, daß thermi-

.10 sehe 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 Neulronengammast-ahlung bewirken.

Der Szintillationskristall 12 erzeugt bekanntlich einen Lichtblitz beim Durchgang eines Gammastrahls. der Energie mit dem Kristallgitter austauscht. Die Fotovervielfacherröhre 10 erzeugt einen Spannungsimpuls, dessen Höhe proportional ist der Intensität der in dem Kristall 12 auftretenden Szintillation. Die Intensität der Sziniillationen ist eine Funktion der Energie des den Lichtbhtz verursachenden Gammastrahls, so daß die Amplitude eines durch die Fotovervielfacherröhre 10 erzeugten Spannungsimpulses in einer bestimmten Funktionsbeziehung zur Energie des entsprechenden gammastrahls steht. Diese von der Fotovervielfacherröhre 10 erzeugten proportionalen Spannungsimputse

stellen em Detektorsignal dar. das über einen Diskriminator 18 einem Linearverstärker 17 zugeführt wird. Der Diskriminator 18 kann dazu verwendet werden energieschwache Hintergrundgammastrahlung auszuiiitern. die sich aus der thermischen Aktivierung des

Detektorknstalls durch die Reaktion Ρ^(Ν.γ)Γ^χ ergibt. Ein bestimmter Vorspannungswert kann dazu verwendet werden, daß nur diejenigen Impulse der Fotoverv.elfacherröhre 10 durchgelassen werden, welche eine größere Höhe haben als die von Gammastrah-

len von 1.78 MeV. die bei der unelastischen Neutronenstreuung durch Silizium erzeugt werden. Auf diese weise laßt sich energieschwache Hintergrundgammaschaltung welche zur Impulsanhäufung beiträgt eliminieren. Der innerhalb des Bohrlochs befindliche Diskriminator verringert außerdem die dem Kabel 8 zugefuhrte Zählfolgegeschwindigkeit und vergrößert oamit die Aussicht, daß keine Impulsanhäufung auftritt, uer Neutronenbeschleun.ger 11 wird vorzugsweise

durch einen Impulsgeber 14 betrieben, der von an sich bekannter Ausführung sein kann und Beschleunigerimpulse kurzer Zeitdauer hervorruft. Die Steuerung des Impulsgeber 14 kann durch Taktimpulse von einem im Oberflächengerät 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 Oberflächentaktgeber 39 gesteuert. Der Taktgeber 39 kann innerhalb der Sonde angeordnet sein. Für die unelastischen Streumessungen ist es wünschenswert, Neutronenimpulse von etwa 5 MikroSekunden Dauer zu verwenden, die in periodischen Abständen von angenä hert 5000 bis 20 000 oder mehr pro Sekunde wiederholt werden.

In Fig. 2 ist die zeitliche Zuordnung der vorgenannten Neutronenstöße oder -impulse zur Gammastrahlungsdetektorperiode und der Bevölkerung an unelastischen und thermischen Neutronen dargestellt. Die Beschleunigerperiode ist durch die ausgezogene Linie 35 dargestellt. Die Bevölkerung an unelastischen Gammastrahlen in der Nachbarschaft des Detektorkristalls 12 isl durch die gestrichelte Linie 31 dargestellt. Die Bevölkerung an thermischen Einfanggammastrahlen in der Nachbarschaft des Detektors ist durch die gestrichelte Linie 32 dargestellt. Die Betriebsperiode des Detektors ist durch die getrennte, ausgezogene Kurve 34 dargestellt. Wie ersichtlich, ist zu Beginn des 5 Mikrosekunden dauernden Impulses der Neutronen entsprechend Kurve 33 der Detektor bereits seit etwa einer Mikrosek'inde aktiviert, wie durch die Kurve 34 angedeutet ist. Das wird dadurch erreicht, daß das von dem Taktgeber 39 abgegebene Taktsignal an ein Signalgatter 22 angelegt wird, bevor es über das Kabel 8 dem im Bohrloch befindlichen Impulsgeber 14 zugeführt wird.

^p.s 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 Mikrosekunden dauernden Neutronenimpulses. Aus dem Diagramm der F i g. 2 läßt sich ersehen, daß die Neutronenimpulse 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 sind jedoch im Zeitpunkt des Auftretens des nachfolgenden Neutronenimpulses immer noch einige Neutronen in der Nachbarschaft des Detektors vorhanden. In diesem Falle sind rier Schutzschild 15 und die Scheibe 16, weiche aus Bor bestehen und zum Schutz gegen thermische Neutronen dienen, besonders gut dazu geeignet, auf diese Quelle zurückzuführende unerwünschte Gammastrahlungsanzeigen durch schnelle Absorption dieser thermischen Neutronen zu verringern.

Zurückkommend auf F i g. 1 läßt sich 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 Kabelverstärker 19 bekannter Ausführung abgegeben werden. Ein Bezugssignal bekannter Amplitude wird außerdem durch den Impulsgeber 20 an den liingang des Diskriminator^ 18 s angelegt. Der von dem in dem Bohrloch befindlichen Impulsgeber 20 gelieferte Bezugsimpuls wird in einem Verstärkungsregler oder Spektrumstabilisator 23 dazu verwendet, den Verstärkungsgrad des Systems zu steuern. Diese Steuerung erfolgt natürlich in der

ίο 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

■ 5 14 als auch das im Oberflächengerät befindliche Signalgatter 22, welche die von der Bohrlochsonde abgegebenen Datenimpulse steuern, von ein und demselben Taktgeber 39 angesteuert werden, ist offensichtlich daß ein synchroner Betrieb von Oberflächengerät und Bohrlochsonde aufrechterhalten werden kann. Die Daiensignale können an der Oberfläche in einer solchen Weise gesteuert werden, daß zeitlich in bestimmter Weise in bezug auf die Neutronenemission abgestimmte Signalabschnitte verarbeitet werden, wie

;s weiter oben anhand F i g. 2 erläutert worden ist.

Für den Fachmann dürfte ohne weiteres ersichtlich sein, daß elektrische Energie von einer (nicht dargestellten) an der Oberfläche befindlichen (nicht dargestellten) Stromquelle über das Bohrlochmeßkabel 8 zu der im

}o Bohrloch befindlichen Sonde 7 abgegeben werden kann, auch wenn dieses nicht in F i g. 1 dargestellt ist. In der Sonde 7 befinden sich entsprechende (nicht dargestellte) Speisequellen zur Speisung des im Bohrloch befindlichen Teils der Vorrichtung.

Die Ausgangssignale des GattPrs 22 bestehen aus einer Zählimpulsfolge, die sich aus von dem im Bohrloch befindlichen Detektorkristall 12 während des Betriebsintervalls des Neutronenbeschleunigers 11 aufgefangenen Gammastrahlen ergibt. Diese Impulse stellen Daten hauptsächlich von Gammastrahlen dar, die von der Anregung von Kernen in der Nachbarschaft des Detektorkristalls stammen, welche durch unelastische Streuung der von dem Beschleuniger 11 emittierten Neutronen erregt worden sind.

Die auf die unelastischen Gammastrahlen zurückzuführenden Signale werden einem Impulshöhenanalysator 24 zugeführt. Der Impulshöhenanalysator 24 kann von bekannter Ausführung sein und weist beispielsweise vier oder mehr Kanäle oder Energieunterteilungen auf.

welche den Quantisierungen der Impulshöhen der Eingangsimpulse entsprechen. In dem Impulshöhenanalysator 24 wird die laufende Summe der eingehenden Impulse in mehrere Speicherstellen oder -kanäle auf der Grundlage der Höhen der zugeführten Impulse sortiert.

die wie oben beschrieben in direkter Beziehung zur Energie der den Impuls auslösenden Gammastrahlen stehen. Das Ausgangssignal des lmpulshöhenanalysators 24 besteht hier aus Zählimpulsen in jedem der vier in F i g. 3 dargestellten Energiebereiche oder -fenster.

In F i g. 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

f>5 Energiefenster vorhanden, welche Silizium (abgekürzt Si). Calcium (abgekürzt Ca), Kohlenstoff (abgekürzt C) und Sauerstoff (abgekürzt O) entsprechen. Es hat sich als zweckmäßig gezeigt, ein Kohlenstoffenergiefenster

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im Bereich von 3,17 bis 4,65 MeV zu verwenden. Das Sauerstoffenergiefenster erstreckt sich vorzugsweise von 4,86 bis 6,34 MeV. Das Siliziumfenster liegt im Bereich von 1,65 bis 1.86 MeV. wahrend das Calciumfenster den Bereich von 2,5 bis 3,3 MeV einnimmt. Mit dieser Bereichswahl für die Energiefenster werden der Spitzenwert der unelastischen Gammastreustrahlung von 4,4 MeV für Kohlenstoff und der Spitzenwert der unelastischen Gammastreustrahlung von 6,13MeV für Sauerstoff zusammen mit ihren entsprechenden Einfach- und Doppelpaar-Entkommens-Spitzenwerten umfaßt. Die optimale Wahl des Energiebereichs für das Siliziumfenster schließt den Photospitzenwert für Silizium bei 1,78MeV ein. Das in Fig.3 dargestellte Calciumenergiefenster schließt aufgrund von Kohlenstoffinterferenz den Calcium-Photo-Spitzenwert bei 3,73 MeV aus, umfaßt jedoch die entsprechenden Einfach- und Doppel-Entkommens-Spitzenwerte.

Die Anzahl der in jedem der vier Energiefenster während des Zeitintervalls (von 7 Mikrosekunden) auftretenden Zählungen, in dem die vom im Bohrloch befindlichen Detektor abgegebenen Signale über das Gatter 22 dem lmpulshöhenanalysator zugeführt werden, ergeben am Ausgang des Impulshöhenanalysators 24 vier getrennte Digitalsignale. Die Kohlenstoff- und Sauerstoff-Zählfolgegeschwindigkeiten werden in den Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisrechner 25 eingegeben. Die Silizium- und Caleium-Zählfolgegcschwindigkeiten werden in den Silizium/Calcium-Verhältnisrechner 26 eingegeben. Außerdem werden die Zählfolgegeschwindigkeiten in den C-, O-. Si- und Ca-Fenstern einem Porosuätsrechner 27 zugeführt, dessen Arbeitsweise im nachstehenden erläutert ist. Die Verhältnisrechner 25 und 26 können von bekannter Ausführung sein.

Das Silizium/Calcium-Verhältnis wird vom Verhälinisrechner 26 in den Kalksteinanteürechner 28 eingegeben. Das Ausgangssignal des Kalksteinanteiirechners 28 liegt zusammen mit dem Ausgangssignal d*¹«. Porositätsrechners 27 und dem Ausgangssignal des C/O-Rechners 25 an dem Wassersättigungsrechner 29 an. Die Wirkungsweise der Rechner 27, 28 und 29 ist weiter unten ausführlicher erläutert. Der Porositätsrcchner 27 bildet einen Schätzwert der Porosität als Funktion der Zahlfolgegeschwindigkeit in einem einzelnen Energiefenster wie z. B. dem Kohlcnstoffenster oder in einer Kombination mehrerer Energiefenster wie /,. B. der Fenster für Kohlenstoff und Calcium, oder schließlich nach Wunsch auch in allen vier Fenstern, und liefert ein dazu proportionales Ausgangssignal, das zusammen mit dem Silizium/Calcium-Verhältnis, dem Kohlenstoff/ Sauerstoff-Verhältnis und dem durch den Rechner 29 erzeugten Wassersättigungssignal Sw aufgezeichnet werden kann. Diese Signale lassen sich as Funktion der Bohrlochtiefe vermittels des Aufzeichnungsgerätes 30 aufzeichnen, das wie durch die gestrichelte Linie 42 angedeutet, elektronisch oder mechanisch mit der Rolle 9 gekoppelt ist. eine Aufzeichnung 41 dieser Beträge als Funktion der Bohrlochtiefe ist schematisch dargestellt.

Fs läßt sich zeigen, daß die Meßtiefe und der relative Betrag des Formationssignals mit zunehmendem Abstand zwischen Neutronenquelle und Detektor allmählich zunehmen. Andererseits nimmt jedoch die Anzahl der den Detektor erreichenden unelastischen Gammastrahlen mit zunehmendem Abstand schnell ab. Mit dem Detektor und einem Deuterium-Tritium-Beschleuniger, der 5000 Neutronenstöße pro Sekunde liniert, wurde festgestellt, daß bei Abständen kleiner als

61 cm eine beträchtliche Impulshäufung (zu schnelle Zählung) während der Offenzeit des Gatters 22 für unelastische Gammastrahlung auftritt. Wie oben ausgeführt, kann das zu einem Verlust an Auflösung im Energiespektrum der gemessenen Gammastrahlung führen. Bei mehr als 61 cm betragenden Abständen zwischen Quelle und Detektor und 5000 Impulsen/Sekunde wurde gefunden, daß die Anzahl der den Detektor erreichenden unelastischen Gammastrahlen in ungünstiger Weise abnimmt. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, den Abstand zwischen Quelle und Detektor angenähert 61 cm groß zu machen, damit mit dem Instrument bei 5000 Impulsen/Sekunde optimale Zählergebnisse erhalten werden. Dieser Abstand verändert sich selbstverständlich, wenn bessere Generatoren oder Detektoren zur Verfügung stehen, oder für höhere Impulsfolgegeschwindigkeiten des Neutronengenerators mit einer kleineren Anzahl Neutronen ρ ■> Neutronenstoß. Wenn beispielsweise die impulsfolgegeschwindigkeit auf 20 000 Impulse/Sekunde gesteigert wird, hat sich ein Abstand von angenähert 55.9 cm als geeignet erwiesen, bei dem Schwierigkeiten mit Impulshäufungen vermieden werden.

Messungen unter Versuchsbedingungen mit einer Bohrlochmeßeinrichtung der in F i g. 1 dargestellten Ausführung in mehreren Versuchsformationen unterschiedlicher Beschaffenheit haben zu Ergebnissen geführt, die in F i g. 4 grafisch dargestellt sind. Die in Fig.4 mit /Ί bezeichnete Kurve stellt das relative Zählverhältnis in den Kohlenstoff- und Sauerstoff-Zahlfenstern für mehrere unterschiedliche Sandsteinformationsporositäten bei einem Wassersätiigungsgrad von 100% dar. Die mit /j bezeichnete Kurve stellt das Kohlenstoff/Sauerstoff-Zählverhältnis in Sandstcinformationen bei 0% Wassersättigung dar. In entsprechender Weise zeigen die Kurven β und U die Erfbnisse von Messungen in Kalksandsteinformationen unterschiedlicher Porositäten mit jeweils I00^0/o bzw. 0% Wassersättigung. Die gestrichelten Kurven 54 und 53 stellen jeweils die Kurven 5O°/oiger Wassersattigung für Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnismessungen in Kalkstein- bzw. in Sandsteinformationen dar. Aus den Kurven der Fig. 4 ist ersichtlich, daß in Formationen hoher Porosität eine Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnismessung für sich alleine genommen normalerweise keine eindeutige Anzeige für Öl darstellt, da bei beispielsweise über 30% betragenden Porositäten ein Kohlenstoff/Sauerstoff-Zählverhältnis im Bereich von 1,6 bis 1,75 entweder einen mit Wasser gesättigten Kalkstein entsprechend Kurve /3 oder einen mit Öl gesättigten Sandstein entsprechend Kurve f₂ darstellen kann.

Zur Lösung derartiger anomaler Ergebnisse kann das Silizium.'Calcium-Verhältnis zur annäherungsweiser Bestimmung der lithologischen Beschaffenheit dei Erdformationen verwendet werden. Es ist offensichtlich daß das Silizium/Calcium-Verhältnis sich beim Ober gang von einer Sandsteinformation (SiCb) zu eine Kalksteinformation (CaCOa) ganz entscheidend verän den. Beim Übergang von einer Sandstein- zu eine Kalksteinformation nimmt der Calciumgehall zi wohingegen der Siliziumgehalt abnimmt. Dadurcl ergibt sich ein wesentlich niedrigeres Silizium/Calcium Verhältnis. Das entgegengesetzte trifft selbstverständ lieh auf den Übergang von einer Kalkstein- zu eine Sandsteinformation zu. Somit zeigt die Kurve de Silizium/Calcium-Verhältnisses innerhalb einer Forme tion die lithologische Beschaffenheit derselben an. Zi

genauen Bestimmung des Vorhandenseins von Wasser oder öl in den Porenräumen der Formationen ist außerdem eine Anzeige der Porosität der Formationen erforderlich.

Der erste Schritt bei der Bestimmung des Sättigungsgrades mit Wasser, kurz benannt Wassersättigung S», besteht in der quantitativen Bestimmung der anteiligen Konzentration an Sand und Kalkstein in der Formationsmatrix. Dazu genügt es, die relativen Mengen an vorhandenem Silizium an Calcium zu bestimmen. Es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis der Zählfolgegeschwindigkeiten in den vorstehend beschriebenen Energiefenstern für Silizium und Calcium eine wirksame Anzeige der Matrix darstellt und diese Anzeige gleichzeitig praktisch unempfindlich ist gegenüber Porosität. Was sersättigung und Salzgehalt des Wassers (Wassersalinität). Wenn die Silizium/Calcium-Werte für reines Wasser enthaltenden Sand (Rs) im Bohrloch und reines Wasser enthaltenden Kalkstein (Ri) bestimmt werden, lassen sich diese beiden Werte als Eichptinktc verwenden, wobei sich der Kalksteinanteil in einem unbekannten sandhaltigen Kalkslein, dessen Silizium/ Calcium-Verhäknis (Rx) gemessen wird, aus der nachstehenden Gleichung herleiten läßt:

(Ka!ksteingchalt)_A = LF_x =-

^s '
K_s — K,

(Il

Diese Rechnung kann in dem Kalksteinantcilrechncr 28 der Fig. 1 ausgeführt werden, wozu als Eingangssignal entsprechend der Darstellung von F i g. 1 das gemessene Silizium/Calcium-VerhäUnis verwendet wird. Repräsentative Werte für Rs und R. lassen sich dadurch bestimmen, daß das Silizium/Calcium-Verhältnis (Rs) in einem bekannten wasserhaltigen Sand im Bohrloch zu Beginn des Meßdurchlaufs gemessen w ird. Rs liegt bekanntlich im allgemeinen etwa 10% über Ri. und sobald daher Rs für das Bohrloch bekannt ist. läßt sich Rl bestimmen. Nach Messung von R\ ist die rechte Seite der Gleichung (1) bekannt, so daß sich I.F\ (Kalksteinanteil)berechnen läßt.

Der zweite Schritt bei der Bestimmung der Wassersättigung Sw besteht darin, daß eir. Schätzwert der Porosität Φ der Formation ermittelt wird. Die Porosität läßt sich aus den in einem (oder allen) der vorstehend angegebenen Encrgiefenster ermittelten Zählfolgegeschwindigkcitcn bestimmen nach der Gleichung

in welcher Mund Ndurch Bohrlochparameter und das Neutronenausgangssignal vorgegebene Konstanten sind. Der Faktor e = 2,718 ist die Basis des natürlichen Logarithmus, und ^c stellt das Fenster oder die Fensterkombination dar, deren Zählfolgegeschwindigkeit für die Schätzung angesetzt wird. Die Porositätsschätzung Φ wird in dem Porositätsrechner 27 der F i g. 1 berechnet Wenn natürlich die Porosität anderweitig bereits bekannt ist wie z. B. durch eine akustische oder elektrische Vermessung (»sonic« oder electrical log), dann kann diese Porositätsschätziing ggf. den

weiteren Berechnungen der Wassersättigung Sw zugrunde gelegt werden.

Aus der gralischen Darstellung von Γ i g. 4 ist ersichtlich, daß die Kurven Ai, A:, A₁ und A₄ als Funktionen der Porosität Φ ai.gesehen werden können, so daß sich mit guter Näherung

ergibt, in w eichen Formeln die Konstante K ein Maß für die Zunahme des auf dem Kohlenstoff in der Kalksteinmairix beruhenden Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses ist und damit die Menge des vorhandenen Kalksteins anzeigt. Somit unterscheidet sich das Kohlenstolf/Sauerstoff-Verhältnis in einer Formation mit einer vorgegebenen Wassersättigung 5»-, die aus V% Kalkstein und (100- Υρ/ο Sand besteht, von dem Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnis in einem 100%igen Sand mit der gleichen Wassersättigung und Porosität durch den Fakior (κ* ,_OOJ .

Aus Gleichung (1) ist weiterhin ersichtlich, daß LF\ eine Anzeige des Frozenigehalts an Kalkstein in der unbekannten Formation ».V« ist und sich damit LF\ =

100 ^crg'^bt

Wenn (K*Ll\) von dem beobachteten Kohlenstoff/ Sauerstoff-Verhältnis in einer unbekannten Formation »X« abgezogen wird, stellt der erhaltene Wert des Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses einen reinen Sand mit der gleichen Porosität Φ und gleicher Wassersättigung Suwie die Formation »,Y« dar. Die Wasscrsäuiiiung Sw läßt sich, dann durch lineare Interpolation .'.wischenden Kurven f\ und Z₃der F i g. 4 herleiten.

Der Wassersättigungsrechner 29. dem als Eingänge LF\ und Φ. ciie entsprechend den vorstehenden Gleichungen (1) und (2) hergeleitet sind, zugeführt werden, führt dann die Rechnung (K*LF\) und die lineare Interpolation zwischen t\ und /j aus. Zu diesem Zweck können f-, und f; n.iherungsweisc als Polynome in Φ eingesetzt werden, so daß der Rechner diese Funktionen analytisch auswerten kann. Die erhaltene Wassersättigung .S» läßt sich dann als die Wassersättigung eines »reinen Sandäquivalcnts« betrachten.

Andererseits können ggf. (in hier nicht dargestellter Weise) die Ausgänge des in Fig. 1 gezeigten lmpulshöhcnanalysators 24 in digitaler oder analoger Form am Bohrloch aufgezeichnet und später unmittelbar in einen Mchrzweck-Digitalrechncr eingegeben werden, welcher die oben angegebenen Rechenvorgänge ausführt Die Ausgabe des Mehrzweckrechners kann dann zun' Antrieb eines Aufzeichnungsgerätes oder von Sichtanzeigegeräten usw. verwendet werden. In jedem Falle werden die Wassersättigung Sw, die Porosität Φ, da< C/O-Verhältnis und das Si/Ca-Verhältnis als Funktior der Bohrlochtiefe aufgezeichnet (Aufzeichnung 41) Damit lassen sich die Zählfolgegeschwindigkeiten ir den in F i g. 3 dargestellten vier Energiefenstern zui Lösung bis jetzt nicht aufklärbarer Mehrdeutigkeiter verwenden, indem diese Daten in der beschriebener Weise miteinander kombiniert oder zusammcngefaß werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Geophysikalische Meßeinrichtung zur Ermittlung der Gegenwart ölführender geologischer Schichten in der Umgebung eines Bohrloches bei Anwesenheit von Formationswasser niedriger SaIinität mit Hilfe von Bohrlochmeßtechniken zum Erzeugen von Gammastrahlung durch inelastische Streuung schneller Neutronenimpulse, wobei die Meßzeit im wesentlichen nur die Zeit der Neutronenausstrahlung ausmacht, unter Verwendung von Gammastrahlendetektor und Impulshöhenanalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die inelastische Streustrahlung schneller Neutronen erzeugte Gammastrahlung in viei mit den Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Calcium korrespondierenden Energiebereichen gemessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf Energiebereiche von 3,17 MeV bis 4,65 MeV, 4,86 MeV bis 6,34 MeV, 1,65 MeV bis 1,86 MeV und 2,5 MeV bis 3,3 MeV eingestellt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Rechengeräte, die aus den Meßwerten den anteiligen Gehalt an Sand und Kalkstein, die Formationsporosität und das Kohlenstoff/Sauerstoffverhältnis ermitteln.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Kalksteinanteils LF_x einer unbekannten Formation -Y durch Messen des Zählverhältnisses Rx der Silizium- und Calcium-Zählungen in der unbekannten Fornation ausgeführt wird, und diese Messung mit ähnlichen Silizium/Calcium-Zählverhältnissen Rs aus einem bekannten wasserhaltigen Sand und Rl aus einer bekannten wasserhaltigen Kalksteinformation kombiniert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Silizium/Calcium-Verhältnismessungen von Rx, Rs und R_L gemäß der Gleichung