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DE2412829A1 - Vorrichtung zur bohrlochvermessung mittels gepulster neutronenstrahlung - Google Patents

Vorrichtung zur bohrlochvermessung mittels gepulster neutronenstrahlung

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Publication number
DE2412829A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
borehole
neutron
mev
inelastic
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE2412829A
Other languages
English (en)
Inventor
Hans Juergen Paap
Hubert Dunkerley Scott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texaco Development Corp
Original Assignee
Texaco Development Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texaco Development Corp filed Critical Texaco Development Corp
Publication of DE2412829A1 publication Critical patent/DE2412829A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/04—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging
    • G01V5/08—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays
    • G01V5/10—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays using neutron sources
    • G01V5/101—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays using neutron sources and detecting the secondary Y-rays produced in the surrounding layers of the bore hole
    • G01V5/102—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays using neutron sources and detecting the secondary Y-rays produced in the surrounding layers of the bore hole the neutron source being of the pulsed type

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  • Geophysics (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Description

Patentassessor · Hamburg, den 7· 3. 1974-
Dr. Gerhard Schupfner 770/ik
Deutsche Texaco A.G.
2000 Hamburg 76 φ niL nn, /n o, ,,A w\
Sechslingspforte T 7^ °°3 CD 73,338-P)
Sechslingspforte
TEXACO DEVELOPMENT C0BP0HATI0F
135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017
U.S.A.
Vorrichtung zur Bohrlochvermessung mittels gepulster Neutronenstrahlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bohrlochvermessung mittels künstlicher Radioaktivität zum Zwecke der Erkundung der Eigenschaften unterirdischer Erdformationen, durch die ein Bohrloch niedergebracht ist, und insbesondere eine Vorrichtung zur Bohrlochvermessung mittels unelastischer Neutronen-Gammastrahlung.
Bekanntlich besteht eine größere Wahrscheinlichkeit für das Vorkommen abbauwürdiger Mengen an öl und Gas in verhältnismäßig· porösen und durchlässigen Erdformationen als in eolichen, die stärker konsolidiert sind. Es ist außerdem bekannt ι daß eine Ol oder Gas liefernde Formation dadurch gefunden werden kann, daß eine Neutronenquelle durch das Bohrloch herabgelassen und die sich durch den NeutronenbeechluB ergebende Intensität der sekundären Gammastrahlung
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als Funktion der Tiefe 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 vonSalzwasser. 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 Unterscheid des Neutroneneinfangquerschnittes wird in bekannter Weise durch Messung entweder der Chlor-Einfanggammastrahlungoder der Halbwertzeit - oder Zerfallskonstanten der thermischen Neutronenbevölkerung in der in Erage stehenden Schicht ermittelt.
Verbesserungen in der Ermittlung kohlenwasserstoffhaltiger Erdformationen wurden durch Beobachtung der unelastischen Streustrahlung schneller Neutronen durch die Kerne del? Erdmaterialien, die das Bohrloch umgeben, erreicht. So ist es z.B. aus der DT-OS 2 245 931 bekannt, gas- und ölführende Erdformationen von süßwassergesättigten KeIksteinformationen zu unterscheiden, indem die durch unelastische Streustrahlung schneller Neutronen erzeugte Gammastrahlung gemessen und das Strahlungsverhältnis von Kohlenstoff/Sauerstoff und Silizium/Calcium benutit
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Es wurde außerdem vorgeschlagen, eine Messung mindestens eines Teiles des Gammastrahlungsenergiespektrums vorzunehmen, das von <der unelastischen Neutronen-Streustrahlung neutronenbestrahlter Erdformationen herrührt. Kohlenstoff und Sauerstoff weisen signifikante unelastische Streustrahlungsquerschnitte auf, da sie relativ schmale Einfangquerschnitte für schnelle Neutronen ha"ben. Daher kommen die das Bohrloch umgebenden Kohlenstoff- und Sauerstoff kerne der Erdforma.tion in merkliche unelastische Streustrahlungswechselwirkungen mit den bombardierenden schnellen Neutronen. Die Gammastrahlung, die von diesen unelastischen Streustrahlungswechselwirkungen herrührt, wird in der weiteren Beschreibung als unelastische Gammastrahlung bezeichnet. Die. näherungsweise Bezeichnung war in der Vergangenheit auf einige Bereiche beschränkt, . da der unelastische Streustrahlungsquerachnitt für Kohlenstoff und Sauerstoff nur merklich wird, wenn relativ hochenergetische Neutronen zur Verfugung stehen, um Wechselwirkungen hervorzurufen. Es war bisher schwierig, ausreichende Mengen hochenergetischer Neutronen zur Verfügung zu stellen, um zuverlässig diese Bohrlochuntersuchungsart durchführen zu können.
Obwohl das Bohrlochuntersuchungssystem gemäß der eingangs genannten Offenlegungsschrift sich als sehr gebrauchsfähig erwiesen hat, treten manchmal Probleme im Hinblick auf
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mangelnde Energietrennung aufgrund von Impulsanhäufungen im System auf. Impulsanhäufungen resultieren aus dem Umstand her, daß das Bohrlochuntersuchungssystem, bestehend aus den elektronischen Schaltkreisen und dem Meßkabel, die Fähigkeit aufweist, wirksam nur mit einer begrenzten augenblicklichen Zählgeschwindigkeit Zählvorgänge vornehmen kann. Aus diesem Grund wird der Abstand zwischen -der Neutronenquelle und dem Gammastrahlungs-Detektor teilweise kritisch im Hinblick darauf, daß die Zählgeschwindigkeit so geregelt wird, daß sie eine begrenzte augenblickliche Zählgeschwindigkeitsbegrenzung des Systems für kurze Intervalle nicht übersteigt und somit das Energieauflösungsvermögen, des Systems nicht übersteigt. In der genannten Offenlegungsschrift sind der Abstand zwischen der Quelle und dem Detektor und die Impulswiederholungsrate optimiert, so daß eine maximale Anzahl von Zählvorgängen ohne Überschreitung der augenblicklichen Zählratenbegrenzung erfolgt. Es ist (jedoch wünschenswert, die. größtmögliche Gesamtzahl an Zählvorgängen innerhalb der Begrenzung der augenblicklichen Zählratengrenzen des Systems, die durch die Impulsanhäufungseffekte bewirkt werden, zu erhalten. Ausgezeichnete Resultate können erzielt werden, wenn, wie in der vorgenannten Offenlegungsschrift, ein Detektorkristall aus Thallium dotiertem Natriumiodid zur Ermittlung • . ■ verwendet
der unelastischen Gammastrahlen/wird, man die Impulswieder-. liolungsrate erhöht und gleichzeitig die Entladungsstoß-Breite der gepulsten Neutronenquelle vermindert, während der Abstand zwischen Quelle und Detektor bei einer speziellen Sondengeometrie optimiert wird.
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!Protz dieser Bemühungen wird ein Anteil der vom Detektor ermittelten Gammastrahlen durch das Material des Detektors selber durch den Einfang schneller Neutronen und der daraus sich ergebenden Gammastrahlung des Detektorkristallmaterials induziert. Ein anderer Grund für die Impulsanhäufurig bei der Verwendung eines dotierten Natriumjodid-Detektorkristalles liegt in der relativ langen Erholungszeitkonstanten dieses Detektortyps. Die Erholungszeitkonstante ist die Zeitspanne, die benötigt wird, um eine erste Szintillation, die im Kristall erzeugt wird, soweit abzubauen, daß eine zweite Szintillation ohne Beeinflussung durch die erste beobachtet werden kann. Bei einem Detektorkristall der vorgenannten Art beträgt diese Konstante etwa 0,23 x 10 Sekunden.
Organische Plastik- oder Flüssigkeitsszintillatoren können verwendet werden, um eine bedeutend schnellere Abfallskonstante zu erhalten und so das vorbeschriebene Problem zu bewältigen. So ist z.B. ein Plastikszintillatormaterial mit einer Abfallskonstanten erhältlich, die bei etwa 2,2 χ 10~" Sekunden(2,2 Nano-Sekunden) liegt, und ein organischer Flüssigkeitsszintillator mit einer Abfallskonstanten Von 2,6 χ 10"" Sekunden erhältlich. Da diese Materialien eine hervorragende Abfallszeit-Charakteristik haben, weisen sie in ihrem Aufbau auch einen hohen Prozent von Wasserstoff gemäß ihrer organischen Natur ai*^. dieser Wasserstoff (der ein hervorragender Μσ-derator für schnelle Neutronen ist) macht diese organischen
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Szintillator Katerialien äußerst ansprechbar für direkte Neutronenstrahlung der in der Bohrlochsonde "befindlichen Neutronenquelle, wodurch eine große unechte und unerwünschte Hintergrundstrahlung erzeugt werden kann.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bohrloch-Meßbzw. Untersuchungssystem für unelastische Neutronenstreustrahlung zu schaffen, dessen Zählfähigkeit durch Verwendung eines verbesserten Szintillations-Detektors ver~. bessert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich diese durch ein unelastisches Gammastrahl-Bohrloch-Meß- bzw. Untersuchungssystem" mittels gepulster Neutronen aus, bei dem ein Flüssigkeits-Szintillations-Detektor verwendet wird, der relativ unempfindlich gegen Neutronen ist.
Zeitabhängige Tor-Schaltkreise scheiden.die von dem das Bohrloch umgebenden Erdformationen ausgehenden unelastischen Gammastrahlen. Vier Energiefenster innerhalb des Energiespektrums für unelastische Gammastrahlen werden eingestellt und deren Energiebreite so gewählt, daß die unelastischen
Sauerstoffes, Gammastrahlen des Kohlenstoffes,/Siliziums und des Calciums ermittelt werden können. Diese Gammastrahlen werden erfindungsgemäß von einem Flüssigkeits-Szintillations-Detektor ermittelt, der meistens völlig frei von Wasserstoff ist und als Auflösungsmittel HexafluorbeixzoX cgP5 enthält. Dieser Detektor weist eine relativ hohe Gammastrahlen-Zählfähigkeit und eine sehr niedrige Neutronen-Wechsel-
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Wirkungs-Fähigkeit.
Die Zählgeschwindigkeit in jedem der vier vorgenannten Energiefenster steht in umgekehrter Beziehung zum Vorhandensein von Wasserstoff in den das Bohrloch umgebenden Erdformationen. Daher ist das Beobachten in einem gegebenen Bereich von Zählgeschwindigkexten in den vier Energiefenstern oberhalb eines, gewissen vorbestimmten Wertes bezeichnend für den Formations-Wasserstoffindex. Durch den Vergleich des unelastischen StrahlungsVerhältnisses von Kohlenstoff/Sauerstoff mit dem von Silizium/ Calcium für diesen Bereich in einer angemessenen Art und Weise, kann die Formationslithologie dahingehend diffe- « renziert werden, ob sie entweder vorherrschend siliziumhaltig oder vorherrschend kohlenstoffhaltig ist, so daß Schätzungen des Kohlenwasserstoffgehaltes der Erdformation durchgeführt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. . -
Es zeigen:
"Fig. Λ eine schematisierte Ansicht, teils in
"-.·■■ Blockdiagrammform, der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
. Fig. 2 ein Zeitdiagramm, welches das Verhältnis
von Beschleuniger- und Detektor-"Einschalt-. · zeit" in bezug auf Gammastrahlung zeigt,
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— ο —
die durch, unelastisch gestreute Neutronen und die thermischen Neutronen in der Nachbarschaft des Bohrlochs verursacht ist und
eine grafische Darstellung eines Gammastrahlung sspektrums, bei Verwendung des erfindungsgemäßen Detektor-Systems, mit Darstellung der gegenseitigen Lage der vier unelastischen Gammastrahlungsenergiefenster.
Pig. 1 ist eine vereinfachte funktioneile Darstellung einer erfindungsgemäßen Bohrlochmeßvorrichtung in Form eines Blockschaltbildes. Ein durch Erdformationen 3 niedergebrachtes Bohrloch 2 ist mit einer Stahlyerrohrung ausgekleidet und mit einer Bohrlochflüssigkeit 5 gefüllt. Die StahlVerrohrung 4 ist mittels einer Zementschicht 6 fest einzementiert, die gleichermaßen dazu dient, eine Flüssigkeitsverbindung zwischen nebeneinander liegenden Produktionsformationen in der Erdformation zu verhindern.
Der innerhalb des Bohrloches befindliche iüeil des Meßsystems besteht grundsätzlich aus einem langgestreckten, flüssigkeitsdichten Hohlkörper oder Sonde 7» die während des Meßvorganges 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, client zur Verarbeitung und Aufzeichnung der von der Sonde 7 gelieferten
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elektrischen Meßdaten. Ein Bohrlochmeßkabel 8, das über eine Holle 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 11 energiereicher Neutronen. Die hier zur Veriiren- " dung ins Auge gefaßte Neutronenquelle ist eine gepulste Neutronenquelle, welche nach dem Prinzip der Deuterium-^ Tritium-Reaktion arbeitet. Für den Fachmann dürfte jedoch ohne weiteres ersichtlich sein, daß die Erfindung nicht auf diese Quelle beschränkt ist. Andere Typen gepulster Neutronenquellen können nach Wunsch verwendet werden.
Ein geeigneter Strahlungsdetektor mit einer Photovervielfacherröhre 10 und einem Elüssigkeits-Szintiliations-Detektor 12, die optisch miteinander verbunden sind, 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 1j5 aus Eisen, Blei, Paraffin oder Kombinationen dieser Materialien oder einem anderen geeigneten Werkstoff ist zwischen der Neutronenquelle 11 und dem Flüssigkeits-
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Szintillationsdetektor 12 der Vorrichtung angeordnet. Der Flüssigkeits-Szintillations-Detektor 12 kann einen blasenfreien Metallbehälter aufweisen, in dem Hexafluorbenzol CgIV- als Auflösungsmittel· enthalten ist. Dieses Auflösungsmittel ist meist vollkommen frei von Wasserstoff. In der nachfolgenden Beschreibung wird dieser Detektor als "NE 226-Detektor" bezeichnet, in Anlehnung an den von der Nuclear Enterprises Limited of Winnipeg, Canada, hergestellten Flüssigkeits-Detektor. In der nachfolgenden Tabelle 1 werden die Kennwerte eines herkömmlichen Kristall-Detektors (Natriumiodid) mit denen eines NE-226-Detektors verglichen.
Tabelle 1 NaJ(O)I) NE 226
en 1,0 O ,25
alb
Eelative -Strahlen
Wirksamkeit oberhalb
0,5 HeV
Relative Neutronen
Wirksamkeit 1,0 ■ 1/250
Abfallkonstante 0,23 χ 10~6 sek. 3,3 x 10~9sek.
Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß der NE 226-Detektor eine etwa 60 mal bessere Gammastrahlen/Neutronen-Wirksamkeit gegenüber einem herkömmlichen Thallium dotiertem Natriumjodid-Kristalldetektor aufweist. Außerdem wird aus der Tabelle 1 ersichtlich, daß die Abfallkonstante, d.h. die Szintillations-Lichtblitz-Intensitätsabfallzeit des NE 226-Detektors mehr als 100 mal schneller gegenüber dem NaJ(Tl)-Detektor ist. Da die augenblickliche Zählrate des Systems zu einem großen Teil von dieser Abfallkonstanten bestimmt ist, ist die erreichbare Zählrate bei Verwendung
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des Flüssigkeits-Szintillations-Detektors um zwei Größenordnungen höher als "bei einem herkömmlichen Kristall-Detektor.
Da der organische Flüssigkeits-Szintillator, der im "NE 226-Detektor .verwendet wird, Elemente rait einer relativ niedrigen Atomzahl enthält, weist das aus der Ermittlung durch den Detektor her resultierende Gammastrahlen-Spektrum einen großen Anteil an Compton-Streuung "bei den Gammastrahlen auf, die durch nukleare Wechselwirkungen des iOrmationsmaterials im Bereich des Bohrloches während ihres Durchganges durch den Flüssigkeits-Szintillator erzeugt wird. Somit zeigt das Gammastrahlen-Spektrum stärker den Compton-Strahlungsbereich als die Spitzenwerte, die von dem konventionellen Kristall-Detektor ermittelt werden. Durch geeignete Placierung der Energiefenster oder Tore, die nachfolgend näher beschrieben wird, kann diese Beschränkung überwunden werden. Auf jeden Fall wiegt der Anstieg in der zeitlichen Auflösungsmöglichkeit jegliche Nachteile durch die Compton-Streustrahlung auf.
Ein Schutzschild 15 gegen thermische Neutronen ist in der dargestellten Weise um den Flüssigkeits-Szintillator-Detektor 12 herum entweder auf einem Innen- oder einem Außenwandabschnitt der Sonde vorgesehen. Zusätzlich ist eine Schutzscheibe 16 gegen thermische Neutronen zwischen dem Strahlungsschutz 13 und dem Flüssigkeits-Szintillations-Detektor 12 angeordnet und verringert die Wahrscheinlichkeit, daß thermische Neutronen zum Detektor 12 gelangen. Die Schutzscheibe kann Bor oder ein anderes Material enthalten, das einen hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen aufweist. Die Schutzscheibe dient außerdem dazu, die Wahrscheinlichkeit herabzusetzen, daß sich auf einem gewundenen Weg fortbewegende und durch die Bohrlochflüssigkeit 5 oder denStrahlungsschutz 1$ verlangsamte thermische Neutronen in die ftähe des Detektors gelangen und möglicherweise zur Neutronenaktivierung der Elemente, die in Detektorgehäuse enthalten sind, führen. Außerdem wird die
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Emission von Gammastrahlung, aufgrund des thermischen Neutroneneinfanges, während der Zeitdauer der Beobachtung der unelastischen Neutronengammastrahlung vermindert.
Der Szintillations-Detektor 12 erzeugt einen diskreten Lichtblitz beim Durchgang eines GammaStrahls, der Energie mit dem fluoreszierenden Material, das im Flüssigkeits-Szintillations-Detektor enthalten ist, austauscht. Die Fotovervielfaeherröhre 10 erzeugt einen Spannungsimpuls, dessen Höhe proportional ist der Intensität der im Flüssigkeits-Szintillations-Detektor 12 auftretenden Szintillation. Die Intensität der Szintillationen ist eine Funktion der Energie des den Lichtblitz verursachenden Gammastrahls. Somit weist ein durch einen Widerstand (nicht dargestellt), gelaufener Stromimpuls erzeugter Spannungsimpuls eine Amplitude auf, die in funktionaler Beziehung zur Energie des korrespondierenden Gammastrahls steht. Diese von der ,Fotovervielfacherröhre 10 erzeugten Spannungsimpulse· stellen ein Detektorsignal dar, das über einen Diskriminator 18, einem Linearverstärker 17 zugeführt wird. Der Diskriminator 18 kann ggf. beispielsweise dazu verwendet werden, energieschwache Hintergrundgammastrahlung auszufiltern, die vom Material, das das Bohrloch umgibt, ausgeht. Diese Ausfilterung kann somit zur Eliminierung unerwünschter Impulse, die zur Impulsanhäufung aufgrund der zeitlich bedingten Ansprechschwelle der verwendeten Elek- ' tronik und dem Frequenz-Bandpaß des Meßkabels beitragen könnten, verwendet werden.
Der Neutronenbeschleuniger der Neutronenquelle 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 Taktimpulse von einem im Oberflächengerät befindlichen Taktgeber 39 erfolgen, die über Leiter des Meßkabels 8 zugeführt werden und aufiex-
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dem 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 ggf. auch innerhalb der Sonde angeordnet sein. Für die erfindungsgemäß ausgeführten unelastischen Streumessungen ist es wünschensivert, Neutronenimpulse" von etwa 5 Mikrosekunden Dauer zu verwenden,die in periodischen Abständen von annähernd 5 000 bis 20 000 oder mehr pro Sekunde wiederholt werden.
In Figur 2 ist die zeitliche Zuordnung der vorgenannten Neutronenstöße oder -impulse zur Gaiaiaastrahlungsdetektorperiode 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 Flüssigkeits-Szintillations-Detektors 12 ist durch die gestrichelte MnIe 31 dargestellt. Die Bevölkerung an thermischen Einfanggammastrahlen.in der Nachbarschaft des Detektors ist durch die gestrichelte Linie 32 dargestellt. Die Betriebsperiode des Detektors 12 ist durch die getrennte, ausgezogene Kurve 34 dargestellt.
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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 MikroSekunden dauernden Neutronenimpulses. Aus dem Diagramm der Fig. 2 läßt sich ersehen, daß die Neutronenimpulse zeitlich weit genug auseinanderliegen, 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, speziell bei höherer Impuls-Wiederholungsräte zwecks optimaler Zählstatistiken, immer noch einige Neutronen in der Nachbarschaft des Flüssigkeits-Szintillations-Detektors 12 vorhanden. In diesem lalle, sind der Schutz- · schild 15 und die Scheibe 16, welche 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.
Durch die relativ niedrige Neutronen-Zählwirksainkeit des . NE 226-Detektors wird auch diese unerwünschte Hintergrundstrahlung reduziert.
Zurückkommend auf Pig. 1 läßt sich unter Beachtung dieser zeitlichen Reihenfolge ersehen, daß während der Betriebs-
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zeit des Neutronenbeschleunigers der Neutronenquelle 11 die von der Fotovervielfacherröhre 10 abgegebenen Ausgangssignale über einen 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 Eingang des Diskriminators 18 angelegt. Der von dem in dem Bohrloch befindlichen Impulsgeber 20 gelieferte Bezugsimpuls kann in einem Verstärkungsregler oder Spektrumstabilisator 23» der an der Oberfläche angeordnet ist, dazu verwendet werden, den Verstärkungsgrad des System zu steuern. Diese Steuerung erfolgt natürlich in der Hauptsache in dem Zeitintervall zwischen Heutronenimpulsen, da der Spektrumstabilisator kontinuierlich oder in einer gewünschten Folge mit Sigrnalen von dem Impulsgeber 20 beschickt werden kann.
Da sowohl der im Bohrloch befindliche Impulsgeber 14 als auch das im Oberflächengerät befindliche Signalgatter 22, welche die zeitliche Auswahl.der von der Bohrlochsonde abgegebenen Datenimpulse steuern, von ein und demselben Taktgeber 39 angesteuert werden, ist..offensichtlich, daß ein synchroner Betrieb von Oberf-lächengerät und Bohrlochsonde aufrechterhalten werden kann. Diese Datensignale können bei ihrem Eintreffen an der Oberfläche in einer solchen Weise gesteuert werden, daß zeitlich in bestimmter Weise in bezug auf die Neutronenemission abgestimmte Signalabschnitte verarbeitet werden, wie wieiter oben anhand Fig. 2 erläutert worden ist.
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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 Bohrloch befindlichen Sonde 7 abgegeben werden kann, auch wenn dieses nicht in Fig. 1 dargestellt ist. In der. Sonde 7 befinden sich entsprechende (nicht dargestellte) Speisequellen zur Speisung der im Bohrloch befindlichen Teils der Vorrichtung.
Die Ausgangssignale des Gatters 22 bestehen aus einer Zählimpulsfolge, die sich aus von dem im Bohrloch befindlichen Flüssigkeits-Szintillator-Detektor 12 und der Fotovervielfacherröhre 10 während des Betriebsintervalls.des Neutronenbeschleunigers aufgefangenen Gammastrahlen ergibt. Diese Impu3.se stellen Daten hauptsächlich von Gammastrahlen dar, die von der Anregung von Kernen in der Nachbarschaft des Flüssigkeits-Szintillations-Detektor 12 stammen, welche durch unelastische Streuung der von dem Beschleuniger der Neutronenquelle 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 Eingangsinipulse entsprechen. In dem ImpulshÖhenanalysator 24 wird die laufende Summe der eingehenden Impulse in mehrere Speicherkanäle auf der Grundlage der
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Höhen der zugeführten Impulse sortiert, die wie oben beschrieben, in direkter Beziehung zur Energie der den Impuls im Flüssigkeits-Szintillations-Detektor auslösenden Gammastrahlen stehen. Das Ausgangssignal des Impulshöhenanalysators 24 besteht bei der Erfindung aus Zählimpulsen, die in jedem der vier vorgewählten Energiefenster für die vier Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Calcium auftreten. ·
In Fig. 3 ist ein typisches Gammastrahlenenergiespektrum schematisch dargestellt, wie es durch unelastische Streustrahlung schneller Neutronen durch die das Bohrloch umgebenden Formationsmaterialien erzeugt und mittels des . Flüssigkeits-Szintillations-Detektors ermittelt wird* Wie eingangs 'schon erwähnt, bewirkt der große Anteil an Compton-Streuung der Gammastrahlen im Flüssigkeits-Szintillator eine allgemeine Verschmierung des in Fig. 3 dargestellten Spektrums. Die bei Verwendung herkömmlicher Kristall-Detektoren erhältliche Spitzenwert-Struktur des Spektrums fehlt, fast gänzlich. In übertriebener Form ist in Fig. 3 der "Compton-Bereich" zusammen mit den unelastischen Gammastrahlen vom Sauerstoff, Kohlenstoff, Calcium und Silizium ■ im Spektrum dargestellt. Ebenso sind in Fig. 3 die gewählten Energiebereiche,' zur Umfassung dieses" "Bereiches" dargestellt. Das Silizium-Energiefenster erstreckt sich von etwa 1,4 MeV bis 1,6 MeV, das Calcium-Energie'fenster von etwa 2,25 MeV bis 3|5 HeV, das Kohienstoff-Energiefenster von etwa 3,5 KeV bis 4,5 MeV und das Sauerstoff-Energiefenster von
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etwa 4,5 MeV bis 6,1 MeV. Diese Energiefenster umfassen den 1,56 MeV-Silizium-, den 3,49 MeV-Calcium-, den 4,19 MeV-Kohlenstoff- und den 5,89 MeV-Sauerstoff-Comptonwert. Diese Placierung der Energiefenster sichert somit eine gute Zählrate von der Compton-Streuung, die sich von jedem der vier Elemente des Pormationsmaterials her im Bereich des Bohrloches assoziiert.
Die Anzahl der in jedem der vier Energiefenster während des Zeitintervalles auftretenden Zählungen, in dem die vom im . Bohrlich befindlichen Detektor abgegebenen Signale über das Gatter 22 dem Impulshöhenanalysator zugeführt werden, ergeben am Ausgang des Impulshöhenanalysators 24 vier getrennte Digitalsignale. Diese Signale werden einem Aufzeichnungsgerät 30 zugeführt, das entweder elektrisch oder mechanisch über die Rolle 9, wie durch die gestrichelte Linie 44 dargestellt, als Punktion der Bohrlochtiefe angetrieben wird. Diese vier separaten digitalen Signale können somit als Punktion der Bohrlochtiefe, wie aus Pig. 1 ersichtlich, dargestellt werden. Darüber hinaus können diese
vier Signale auch noch weiteren Datenverarbeitungs-Schaltkreisen 28 zur Bestimmung der V/assersättigung, der Porosität und- anderer interessierender V/erte zugeführt werden. Zusätzlich werden'die Ausgangssignale des Impulshöhenanalysators 24, die im Kohlenstoff- und im Sauerstoffenergiefenster auftreten, einem Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisrechner zugeführt.
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Das Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnissignal des Verhältnisrechners 25 "beaufschlagt eine Linie des Aufzeichnungsgerätes 30 als Funktion der Bohrlochtiefe. Ebenso werden die von den unelastischen Gammastrahlen im Silizium- und Calciumenergiefenster her resultierenden Ausgangssignale des Impulshöhenanalysators einem Siliziura/Calcium-Verhältnisrechner 26 zugeführt, der das Verhältnis errechnet und eine andere Linie des Aufzeichnungsgerätes 30 "beaufschlagt. Dieses Silizium/Calcium--Verhältnis wird ebenfalls als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet. In der vorliegenden Erfindung werden.mindestens 6 Linien im Auf- zeichnungsgerät 30 verwendet, um den Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Silizium- und Calciumgehalt, das Kohlenstoff/Sauerstoff- und das Silizium/Calciuni-Verhältnis als Punktion der Bohrlochtiefe aufzuzeichnen.
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Claims (1)

  1. α? 74- 003
    Patentansprüche
    1) Vorrichtung zur Bohrlochvermessung mittels künstlicher Radioaktivität, insbesondere mittels unelastischer Neutronen-Gammastrahlung, zum Zwecke der Erkundung der Eigenschaften unterirdischer Erdformationen, durch die das Bohrloch niedergebracht ist, gekennzeichnet durch eine flüssigkeitsdichte, hohle Sonde (7), deren äußere Abmessungen mit dem Durchmesser des Bohrloches (2) korrespondiert,durch eine innerhalb der Sonde (7) • angeordnete Neutronencfuelle (11) zur Erzeugung eines ' Flusses schneller Neutronen, die die Materialien im Bereich des Bohrloches (2) bestrahlen, durch einen Flüssigkeits-Szintillations-Detektor (12) zur Ermittlung von Gammastrahlungen von Materialien im Bereich des Bohrloches (2), die zurückzuführen sind auf unelastische Streustrahlung schneller Neutronen, und zur Erzeugung von Spannungs-Impulsen, die' mit der Energie der GaintaaStrahlungen korrespondieren, ' durch eine an sich bekannte Einrichtung (24) zur Vereinzelung der Spannungsimpulse in einem Spektrum der korrespondierenden unelastischen Gamraastrahlenenergien, durch ein Aufzeichnungsg*rät (JO) für dieses Spektrum und durch einen Zeit-Gatter-Schaltkreis (22) zum Durch-
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    lassen der Spannungs-Impulse, die im wesentlichen nur während der Einschaltdauer der Neutronenquelle (11) auftreten.
    2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Neutronenquelle (H) einen Impulsgeber (14) aufweist, der zum wiederholten Bestrahlen der Erdformation (3) mit schnellen Neutronenimpulsen von relativ kurzer Zeitdauer vorgesehen ist.
    5) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
    gekennzeichnet , daß die Neutronenquelle (11) Impulse von 14- MeV aussendet.
    4) Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß als Einrichtung zur Vereinzelung der Spannungsimpulse ein Impulshöhenanalysator (24) Verwendung findet,.der Impulshöhenkanäle auf\feist, die mit mindestens vier Energiebereißhen des unelastischen Gammastrahlenenergiespektrums zwischen 1 MeV und 8 MeV korrespondieren.
    5) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die vier Energiebereiche wesentliche Teile der Coropton-Streuung umfassen, die bei der unelastischen Neutronenstreuung der Elemente
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    Calcium, Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff auftreten.
    6) Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch, gekennzeichnet , daß sich die Energiebereiche von etwa 1,4- bis 1,6 MeV für Silizium, von etwa 2,25 bis 3j5 MeV für Calcium, von etwa 3,5 bis 4,5 MeV für Kohlenstoff und von etwa 4,5 bis 6,1 MeV für Sauerstoff erstrecken.
    7) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeits-Szintillations-Detektor (12)" ein Szintillatormaterials aufweist, das in einer im wesentlichen wasserstofffreien organischen Lösung sich befindet. - . .
    8) Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß als Lösung Hexafluorbensol (CgF6) Verwendung findet.
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