DE2557595A1

DE2557595A1 - Verfahren zur untersuchung der eigenschaften von formationen im bereich des bohrloches mittels sich wiederholender hochenergetischer neutronen- impulse

Info

Publication number: DE2557595A1
Application number: DE19752557595
Authority: DE
Inventors: Obie Martin Langford; Steve Gerald Malone
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1974-12-26
Filing date: 1975-12-20
Publication date: 1976-07-08
Also published as: CA1048162A; SE7514364L; US3973131A; JPS5175601A; GB1525967A; FR2296187A1; NL7514902A; IT1051974B; SE413703B

Description

Patentassessor Hamburg, den 12.12.1975

Dr. Gerhard Schupfner 770/ik λ r r 7 ς η Deutsche Texaco AG ^^Ja'^oa

2000 Hamburg 13 _N

Mittelweg 180 T 75 062 D (D 74-,166-3?)

TEIIi-GO DEVELOHiSNT COKPOKATION

135 East 42nd Street

New York, N.Y. 10017

U.S.A.

Vorrichtung zur Untersuchung der Eigenschaften von Formationen im Bereich des Bohrloches mittels sich wiederholender hochenergetischer Neutronen-Impulse

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sur Untersuchung der Eigenschaften von Formationen im Bereich des Bohrloches mittels sich wiederholender hochenergetischer Neutronen-Impulse, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Schaltfimktionen einer untertägig geführten gepulsten Neutronenquelle, um auf diese Weise Messungen verschiedener Erdformationseigenschaften zu erhalten, ohne daß separate Kabelleiter benötigt werden oder die Vorrichtung aus dem Bohrloch entfernt werden muß.

Auf der Suche nach Kohlenwasserstoff führenden Erdformationen wird ein Bohrloch abgeteuft und Instrumente entlang dieses Bohrloches geführt, um entsprechende Messungen durchzuführen.

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Yon diesen Messungen werden die Formations-Lithologie-,· die Porosität, und andere Paktoren, aus denen sich das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen ableiten lässt, ermittelt. Meistens sind einige unterschiedliche Typen von Messgängen notwendig, um eine Analyse der Formation vornehmen zu können, wobei diese unterschiedlichen Messungen mit verschiedenen Messapparaturen ermittelt werden. Werden die Meßsonden separat geführt, tritt jedesmal das Problem der Korrelation der Tiefe zusätzlich zu der benötigten Zeit für das Ein- und Ausfahren der verschiedenen Meßsonden auf. Der Verlust an wertvoller Bohrturmzeit ist ein wichtiger wirtschaftlicher Aspekt. Bei Verfahren, bei denen eine einzelne Meßsonde verschiedene Messungen durchführt, tritt das Problem der Kommunikation der Ströme und Signale zwischen der Erdoberfläche und der Meßsonde über das elektrische Meßkobel auf. Bei nuklearen Bohrlochmeßsonden ist es wünschenswert, einen Meßkabeltyp zu verwenden, wie er z.B. in der DT-OS 22 21 offenbart ist. Hierbei handelt es sich um ein Triaxialkabel oder ein armiertes Koaxialkabel, das die wünschenswerten Bandbreitenerfordernisse zur Messung und Sicherstellung der Form der elektrischen Impulse, die durch die untertägige Vorrichtung erzeugt v/erden, aufweist. Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei diesem Kabeltyp, dor eine begrenzte Anzahl an Leitern aufweist, verschiedene Typen an Messungen nicht simultan durchgeführt werden können. Bei nuklearen Meßverfahren z.B. ist es wünschenswert, ein Meßkabel zu haben, das die Fähigkeit aufweist, eine Kohlenstoff/ Sauerstoff-Messung und eine Zerfalls ζ eit-Mes sung der ther-

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mischen Neutronen in einem Durchlauf durch das Bohrloch zu erhalten. Während auf der einen Seite die Ausrüstung zum Erhalt dieser Messungen ähnlich ist, sind auf der anderen Seite die Neutronenimpulsfrequenzen, Arbeitsspannungen, Spannungen und Steuerfunktionen unterschiedlich, so daß der Erhalt beider Messungen mit einem Durchgang der Meßsonde entsprechende Schalt- und Steuerfunktionen in der untertägigen Bohrlochsonde erfordert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, d.h. die Meßsonde, ist mit einem hochenergetischen Neutronen-Generator (14 MeV) und einem Gammastrahlen-Detektor ausgerüstet. Somit können interessierende Zonen zwecks Durchführung weiterer Messungen bezogen auf den Kohlenstoff /Sauerstoff-Gehalt ermittelt werden. Die Durchführung dieser Messung ist typisch für eine relativ niedrige Meßgeschwindigkeit und benötigt unterschiedliche Neutronenimpulsdauer und Frequenzen.

Es sind noch weitere Faktoren vorhanden, die ein Meßwerkzeug zur Ermittlung der thermischen Zerfallszeit von einem Meßwerkzeug zur Ermittlung des Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses unterscheiden. So ist z.B. bei einem C/O-Meßwerkzeug die Entfernung zwischen der Neutronenquelle und dem Detektor bis zu etwa 100 mm größer als die Entfernung zwischen Neutronenquelle'und Detektor bei einem Zerfallszeit-Meßwerkzeug. Bezüglich der Neutronenimpuls-Frequenz und der Neutronenerzeuger-Impulsweite, besteht der Unterschied darin, daß ein Zerfallszeit-Meßwerkzeug bei einer Neutronenimpuls-Wiederholungsfrequenz von etwa 1 KHz und

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einer Impulsweite der Ionenquelle von etwa 75 Mikrosekunden Dauer arbeiten kann, während ein C/O-Meßwerkzeug eine Neutronenimpuls-Wiederholungsfrequenz von etwa 20 KHz aufweist und eine Ionenquelle-Impulsweite von 20 Mikrosekunden. Die Messungen der Gammastrahlen für die thermischen Neutron.en-Zerfallszeitmessungen treten zu einem Zeitpunkt nach der Neutronenentladung auf. Die Messungen für das C/O-Verhältnis werden während der Entladung der Neutronenenergie durchgeführt, da die unelastische Streustrahlung gemessen wird. Ein Vorteil des C/O-Meßwerkzeuges besteht in seiner großen Unabhängigkeit vomSalinitätswert der Formation, während ein Meßwerkzeug zur Ermittlung der thermischen Neutronen-Zerfallszeit auf Formationen begrenzt ist, die einen relativ hohen Salinitätsgehalt aufweisen.

Die für die Erfindung verwendete hochenergetische Neutronenquelle vom vorzugsweise Deuterium-Tritium-Typ und der Gammastrahlungs-Detektor sind in einer Entfernung zueinander angeordnet, die einen Kompromiß im Hinblick · auf die optimale Zählrate der Gammastrahlen sowohl während des Neutronenausstoßes als auch nach dem Neutronenausstoß darstellt. Auf diese Weise können Messungen der thermischen Neutronenzerfallszeit und des Kohlenstoff/Sauerstoff-Verhältnisses durchgeführt werden. Die Meßsonde ist mit unabhängigen Kanälen ausgerüstet, die Arbeiten zur Erzeugung von Trigger-Impulsen bei unterschiedlicher Neutronenimpuls-Wiederholungsfrequenzen ermöglicht und zur Erzeugung der gewünschten Neutronenimpuls-Dauer für jede Arbeitsfrequenz.

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2 ?; s ^ ς q 5

Die unabhängigen Arbeits-Kanäle werden durch die Verwendung einer Steuersignal-Technik ausgewählt, die einen der Kanäle für die Durchführung der Arbeiten auswählt. Eine Schalteinrichtung innerhalb der untertägig geführten Meßsonde spricht auf ein Steuersignal für ein schrittweises Wechseln der Spannung der Neutronenerzeugerröhre an, und steuert dabei die relative Anzahl der in jedem Neutronenimpuls erzeugten Neutronen und kompensiert dieses im Hinblick auf den Kompromiß in der Entfernung zwischen der Neutronenquelle und dem Detektor. In der an der Erdoberfläche angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung sind Schaiteinriclitungen vorgesehen, die unter Verwendung von Steuerimpulsen die Detektorsignale für jeden Messungstyp gattern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. Λ - eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einem Bohrloch;

Fig. 2a -

bis 2d - Darstellungen der verschiedenen Steuerimpulsformen zur Illustrierung der unterschiedlichen Steuersequenaen in Relation zu einer Neutronenentladung;

Fig. 3 - eine schematische Darstellung der untertägig geführten und der übertägig angeordneten Elektronik;

Fig. 4 - eine detailliertere Darstellung eines

elektronischen Elementes des in Fig. 3 dargestellten Systems.

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Bohrloch 1 zeigt eine Erdformation 21, die von einem Bohrloch 20 durchteuft ist. Ein stählernes Futterrohr 22 ist mittels einer Zementschicht 23 innerhalb des Bohrloches angeordnet und verhindert eine Fluid-Migration zwischen den Formationen. Das Futterrohr ist mit einem Bohrfluid 24, wie z.B. Wasser, Bohrschlamm oder dergleichen gefüllt. Die Bohrloch-Meßvorrichtung ist als langgestreckte flüssigkeitsdichte Meßsonde 25 ausgebildet und in ihrer Größe dem Bohrlochdurchmesser angepasst. In der Meßsonde ist eine gepulste Neutronen-Quelle 26 für hochenergetische Neutronen (14- MeV) und über dieser Quelle ein Detektor 27 zur Ermittlung der Gammastrahlen angeordnet. Die Quelle kann als Neutronenerzeugerröhre ausgebildet sein, die nach dem Prinzip der Deuterium-Tritium-Reaktion arbeitet. Der Gammastrahlungs-Detektor 27.kann eine Photovervielfacherröhre und ein Detektor-Kristall zur Ermittlung der aus der Wechselwirkung schneller oder thermischer Neutronen mit den Erdformationen 21 des Bohrloches 20 her resultierenden Gammastrahlen aufweisen. Ein Strahlungs-Schutzschild 28 aus Eisen, Wolfram oder einem anderen für diesen Zweck geeigneten Material ist zwischen der Neutronen-Quelle 26 und dem Detektor 2? angeordnet. Der Detektor-Kristall kann ein Thallium dotiertes Natrium- oder Cesium-Jodid oder dergleichen aktiviertes Material, das optisch mit einer Photovervielfacherröhre gekoppelt werden kann, enthalten. Das Schutzschild 28 reduziert die Wahrscheinlichkeit einer direkten Bestrahlung des Detektors durch die emittierten Neutronen der Neutronenquelle 26.

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Der Detektor 27 erzeugt Spannungsimpulse proportional in der Höhe zur Intensität der Szintillations-Lichtblitze, wobei die Intensität der Lichtblitze proportional zur Energie des GammaStrahls, der den Lichtblitz bewirkt, ist. Die Neutronenquelle 26 wird in sich wiederholender Weise aktiviert, um hochenergetische Neutronenausstöße zu erzeugen. Sowohl die Neutronenquelle 26 als auch der Detektor sind mit einer in der Meßsonde untergebrachten Elektronik-Kartusche 29j die die Arbeitsabläufe steuert, verbunden. Die Meßsonde 25 ist im Bohrloch an einem elektrischen armierten Meßkabel 30 aufgehängt, das die elektrischen Leiter, in diesem Pail die Koaxialleiter, umhüllt. Das Meßkabel wird an der Erdoberfläche über eine Rolle 52 geführt und ist mit einer Signal-Verarbeitungsanlage 31 elektrisch verbunden. Eine mechanische oder elektrische Verbindung der Holle 32 mit der Signal-Verarbeitungsanlage 31 wird benutzt, um die Messungen als Funktion der Teuf enlage der Meßsonde 25 aufzuzeichnen.

Die unterschiedlichen Wellenformen der Fig. 2A bis 2D zeigen die zeitlichen Unterschiede zwischen den Gammastrahlungsmessungen der thermischen Neutronenzerfallszeit und der Gammastrahlungsmessungen des Kohlenstoff/Sauer sto ff-Verhältnisses. Wie aus der Fig. 2A zu ersehen ist, wird ein Steuergatter 35A für die Hintergrund-Gammastrahlung des Kohlenstoff zu Sauerstoff-Verhältnisses benutzt, ausserdem ein Steuer-Gatter 35B für die unelastischen Neutronen-Wechselwirkungen der Kohlenstoff/Sauerstoff-Messungen und ein Steuer-Gatter 35C für die Einfang-Gammastrahlen der Kalzium/

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Silizium-Lithologiemessungen. Diese Steuergatter liegen innerhalb 50 ms des Auftretens eines Neutronenausstoßes zum Zeitpunkt t_Q> d.h., daß "bei dieser C/O-Messung die Neutronenimpulse mit einer Wiederholungsfrequenz von ca. 20 KHz benutzt werden. Die Zerfallszeitmessung der thermischen neutronen wird unter Verwendung der Steuergatter 36A - 36C durchgeführt, die üblicherweise so ausgewählt sind, daß sie sich über einige 100 Mikrosekunden nach dem Neutronenausstoß-Zeitpunkt h_Q erstrecken. Die Wiederholungsfrequenz der Neutronenimpulse wird bei der Zerfallszeitmessung der thermischen Neutronen bei ungefähr Λ KHz durchgeführt. Aus diesen Darstellungen ist ersichtlich, daß die Gatterzeiten und Impuls-Wiederholungsraten für diese Tsrpen von Messungen sehr unterschiedlich sind. Die Neutronen-Impulsdauer liegt bei einer C/O-Verhältnismessung ungefähr bei 5 Mikrosekunden, während bei der Zerfallszeitmessung der thermischen Neutronen die Zeitdauer der Impulse bei ungefähr 4-0 Mikrosekunden liegt. An dieser Stelle soll auf die US-PSen 3 780 303, 3 780 302 und 3 780 301 hingewiesen werden, in denen Kohlenstoff/Sauerstoff -Mess-Systeme detaillierter offenbart sine. Bezüglich der Messung thermischer Neutronen soll auf die US-PS 3 842 verwiesen werden.

In Fig. 20 ist eine Steuersequenz für eine Zerfallszeitmessung thermischer Neutronen dargestellt. Sich wiederholende Neutronenausstöße 37 bei einer Frequenz von 1 KHz x^erden erzeugt und zwischen jedem Neutronenausstoß 37 werden die ermittelten Gammastrahlen von den Steuergattern 36A und 36 B

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(Fig. 2B) gesampelt. Nach 944 soldier Ausstöße arbeitet das System über eine Zeitperiode von 55 Millisekunden (das entspricht 55 Neutronenausstößen) mit geöffnetem Steuergatter 360 und ermittelt die Hintergrund-Gammastrahlen. Die Hintergrund-Gammastrahlen-Zählung wird zeitlich skaliert und von der Messung der Steuergatter 36A und 36B sur Ableitung der Zerfallszeit der thermischen Neutronen für diese Formation subtrahiert.

Aus der Fig. 2D ist zu ersehen, daß ein Impuls 38 mit einer Impulsbreite w nach einem Zeitintervall T wiederholt wird. Der Impuls 38 ist in der unbeschatteten Zeitperiode 38A der Ionisationszeit des Neutronengenerators dargestellt, während in der beschatteten Zeitperiode 38B die Zeit von einem Neutronenausstoß darstellt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, sowohl die Wiederholungsrate oder Frequenz und die Impulsweite w des Ionenquellen-Impulses auszuwählen.

Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, weist die untertägig geführte Meßsonde eine Deuterium-iTritium-Beschleuniger-Neutronenquelle 26 auf, die üblicherweise einen Deuterium-Auffrischer 26A, eine Ionenquelle 26B und eine Auffangelektrode 260 aufweist. Die Auffangelektrode 260 ist mit einer negativen Hochspannungsquelle 69 verbunden. Die Impulsweite und die Impuls-Wiederholungsrate der Neutronenquelle kann durch die Ionenquelle 26B gesteuert werden. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung repräsentieren 4 Kanäle individuell gesteuerte Impuls-Wiederholungsfrequensen und Impuls-

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weiten, obgleich sowohl mehr als auch weniger Kanäle vorgesehen sein können. Die Frequenz für Jeden Kanal wird von einem Haupttaktgeber-Schaltkreis 40 vorgegeben, der z.B. bei 20 KHz arbeiten kann. Das Ausgangssignal des Haupttaktgebers 4-0 wird einem Teiler-Schaltkreis 41 zugeführt, dessen Ausgangssignal 10 KIIz beträgt. Das Ausgangssignal des Teiler-Schaltkreises 41 wird einem zweiten Teiler-Schaltkreis 42 zugeführt, der ein Ausgangsignal von 1 KHz erzeugt. Das Ausgangssignal des zweiten Teiler-Schaltkreises 42 wird einem dritten Teiler-Schaltkreis 43 zugeführt, der ein Ausgangssignal von 100 Hz erzeugt. Somit weist die Schaltung 4 separate Frequenzausgänge auf, d.h. 20 KHz, 10 KHz, 1 KHs und 100 Hz. Die Ausgänge des Haupttaktgeber-Schaltkreises 40 und der Teilerschaltkreise 41 und 43 werden jeweils einem monostabilen Multivibrator 44, 45 und 46 zugeführt. Das Ausgangssignal des Teiler-Schaltkreises 42 wird als Eingangssignal einem Hintergrund-Synchronisationsimpuls-Generator-Schaltkreis 47 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang eines weiteren monostabilen Multivibrators 48 verbunden ist. Jeder der monostabilen Multivibratoren weist eine vorbestimmte Ausgangsimpulsform auf, die unterschiedlich voneinander ist und die Impulsdauer w der Ionenquellen-Impulsweite regelt. Somit erzeugen die monostabilen Multivibratoren 44 bis 46 und 48 vier voneinander unterschiedliche Impulslängen w für die Neutronenquelle 26. Die Ausgänge der monostabilen Multivibratoren 44-46 und 48 sind ihrerseits mit einem UND-Gatter 50, 51» 52 und 53 verbunden, deren Ausgänge wiederum mit einem NOR-Schaltkreis 54 verbunden sind.

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Durch Auswahl eines der UND-Gatter 50 - 53 für die Schaltoperationen, ist damit gleichzeitig einer der vorbestimmten Impulslängen w und Impuls-Wiederholungsfrequenzen ausgewählt. Der nachgeschaltete NOE-Schaltkreis 54· verbindet die Ausgangssignale der UND-Gatter mit einem Ionenquellen-Schalter-Schaltkreis 55» der die Ionenquelle 26B der Neutronenquelle 26 steuert. Die Gatterauswahl für eines der UND-Gatter 50 53 wird von einem der Sperrkontakt-Schaltkreise 37» 58, 59 und 60 durchgeführt. Ein Sperrkontakt-Schaltkreis schaltet

normalerweise in Erwiderung auf ein Eingangssignal und erEffekt, zeugt ein Ausgangssignal für eine feste Bedingung, mit dem/ daß einem Signal von einem mono stabilen Multivibrator der Durchgang durch ein Gatter ermöglicht wird.Der Sperrkontakt-Schaltkreis geht in seine Ausgangsstellung nur dann zurück, wenn das Signal oder dergleichen unterbrochen wird. Ein separater Sperrkontakt-Schaltkreis 61 wird zur Einschaltung des Ionenquellen-Schalter-Schaltkreises 55 in seine "Einstellung benutzt. Die Eingänge jedes Sperrkontakt-Schaltkreises 57 - 61 sind mit einem Dekoder-Schaltkreis 62 verbunden. Der Dekoder-Schaltkreis 62 weist eine Anzahl an Kanälen auf, die ihrerseits einzeln auf unterschiedliche Steuersignal-Frequenzen ansprechen. Eine Steuersignal-Frequenz f^j z.B., übermittelt ein Signal zum Sperrkontakt-Schaltkreis 61, eine Steuersignal-Frequenz f_? übermittelt ein Ausgangssignal zum Sperrkontakt-Schaltkreis 60 usw. Die verschiedenen Steuersignalfrequenzen f _ werden über einen Leiter 63, der mit dem inneren Abschirmungs-Leiter des Triaxial-Kabels 64- verbunden ist, zugeführt.

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Ein Gleichstrom-Inverter 66 ist ebenfalls mit dem Leiter verbunden und erhält seinerseits den Strom von einer übertägig angeordneten Stromquelle 83. Der zentrale Leiter 65 des Triaxial-Kabels 64 ist mit dem Detektor 27 verbunden und übermittelt diesem die Arbeitsspannung. Die äußere Armierungsschicht des Triaxial-Kabels ist geerdet. Die Gammastrahlen-Daten-Impulse vom Detektor 27 werden zur Oberfläche über den zentralen Leiter des Triaxial-Kabels geleitet. Der Leiter empfängt ausserdem positive Synchronisationsimpulse vom Hintergrund-Synchronisations-Schaltkreis 47 und einem negativen Synchronisations-Impuls vom Synchronisations-Schaltkreis 67· Die Arbeitsspannung für die Auffangelektrode 26C der Neutronenquelle 26 wird von einer negativen 125 KV-Hochspannung sque He 69 zugeführt. Eine Mederspannungsquelle 71 ist über einen Ausgangsspannungs-Schaltkreis 70 mit der Hochspannungsquelle 69 verbunden. Wie nachfolgend noch detaillierter ausgeführt wird, wird die Hochspannung der Hochspannungsquelle 69 durch die Eingangsspannung, die von der Wiederspannungsquelle 71 zugeführt wird, gesteuert. Der Ausgangs-Schaltkreis 70 wird von einem Eingangssignal, das über einen Leiter 72 vom Dekoder-Schaltkreis 62 geliefert wird, gesteuert. Das Schalt-Eingangssignal des Leiters 72 wird von dner Steuersignal-Eingangsfrequenz für den Dekoder 62 gesteuert.

Ein Steuerfrequenzsignal f,- beaufschlagt zuerst den Sperrkontakt-Schaltkreis 61, der den Ionenquellen-Schalter-Schaltkreis 55 in die "Ein"-Stellung bringt.(diese Stellung ist in Fig. 2D zwischen den Zeitpunkten I - F dargestellt).

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ο ~ r, ^ ~ q c

Ein zweites vorgewähltes Steuerfrequenz-Signal f^ beaufschlagt den Sperrkontakt-Schaltkreis 57, der das UND-Gatter 50 öffnet. Danach wird der monostabile Multivibrator 44 vom Haupttaktgeber-Schaltkreis 40 angesteuert und bringt dadurch den Schaltkreis 45 in seine "Aus"-Stellung (diese SchaItstellung ist in Fig. 2D zwischen den Zeiten F-I dargestellt,) Somit ist die Zeitdauer w des Ionenquellen-Steuerimpulses 38 durch den monostabilen Multivibrator 44 gesteuert.

Die Synchronisations-Schaltkreise 47 und 67 stellen das Auftreten verschiedener Vorgänge dar. Der Synchronisations-Schaltkreis 67 erzeugt negative Synchronisations-Impulse für jeden Neutronenausstoß zum Zeitpunkt I (siehe Fig. 2D). Der Synchronisations-Schaltkreis 47 ist für die Zerfallszeit-Messung vorgesehen, wenn die Hintergrund-Gammastrahlen gezählt werden sollen.

Das System weist ausserdem die Fähigkeit auf, die Ausgangsstärke der Neutronenimpulse auf verschiedene Signalhöhen während der Pießoperationen innerfialb des Bohrloches zu variieren. Dieses Merkmal ist wichtig im Hinblick für die Durchführung verschiedener Messungen, bei denen ein Impulsaufbau (d.h. eine zu hohe momentane Zählrate der Gammastrahlen) im Detektorsystem durch Verminderung des Neutronenausstoßes minimiert werden muß. Üblicherweise kann der Neutronenausstoß durch Veränderung der Entfernung zwischen der Neutronenquelle und dem Detektor reduziert werden. Diese Art der .änderung ist normalerweise in einem Bohrloch aufgrund der Notwendigkeit einer maximalen Abschirmung nicht gegeben.

ORiGiNAL INSPECTED

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Im vorliegenden System wird der Neutronenausstoß durch. 'Variierung der Spannung für die Auffangelektrode (und damit auch dem Strom der Auffangelektrode) geändert. Da der Neutronenausstoß auf den Strom bzw. die Spannung der Auffang-Elektrode bezogen ist, kann die Größe dieser Ströme elektronisch, korrespondierend zu einem vorbestimmten Prozentsatz des maximalen Neutronenausstoßes heruntergeregelt werden. Für das in Fig. 3 dargestellte System ist der Neutronenausstoß durch Veränderung der 50 Volt Eingangsspannung der Niederspannungsquelle 71 zwecks Veränderung der negativen 125 KV-Hochspannung der · Quelle 69 reduziert.

Durch Aussendung eines Auswahl-Steuersignals zum Ausgangs-Spannungs-Schaltkreis 70 ist diese Veränderung vorgenommen worden. Der Schaltkreis 70 ist für die Reduzierung der Spannung der Auffang-Elektrode durch Verminderung der Eingangsspannung von der Niederspannungsquelle 71 zur Hochspannuncsquelle 79 in vorbestimmter Stufenfolge vorprogrammiert. Ist die richtige Spannungshöhe erst einmal

ausgewählt, hält der Ausgangsspannungs-Schaltkreis 70 diese Position, bis die Spannung der Meßsonde abgeschaltet wird oder der Schaltkreis 70 ein zusätzliches Steuersignal zur Rückstellung des Schaltkreises empfängt. Der Ausgangsspannungs-Schaltkreis 70 ist so programmiert, daß er automatisch pro Arbeitszyklus der verschiedenen Spannungsniveaus in seine Ausgangsstellung zurückkehrt. Diese Ausbildung ermöglicht dem Operator die Signale bei verschiedenen Signalhöhen zu überwachen und die für den Untersuchungszweck beste Neutronen-Ausgangsleistung auszuwählen.

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-15- Z:-D ·

Die an der Erdoberfläche angeordnete Signalverarbeitungs-Einrichtung weist ein Kodiergerät 82 auf, das die verschiedenen Steuersignalfrequenzen entwickelt und mit dem Abschirmungsleiter 63 des Meßkabels verbunden ist. Der zentrale Leiter 65 ist mit einem Kabelkasten-Schaltkreis 84 verbunden, der die Synchronisationsimpulse und Datensignale von der Trägerspannung trennt. Eine Stromquelle 85 ist für die Arbeitsspannung des Detektors 27 vorgesehen. Die Datenimpulssignale und Synchronisationsimpulse von der Meßsonde werden über einen Leiter 86 einem Verstärker 87 und einem nachgeschalteten automatischen Verstärkungssteuerungs-Schaltkreis 88 zugeführt, der die Signale linearisiert. Das Ausgangssignal vom Verstärkungsfaktor-Steuerschaltkreis 88 wird über einen Meßwähler-Schalter 89 in der dargestellten Position den Linear-Gattem 90, 91 und 92 zugeführt. Die Linear-Gatter lassen das ankommende Signal unverändert passieren oder verhindern einen Durchgang durch das Gatter. Mit anderen Worten gesagt, bleibt die Impulshöheninformation in den Datenimpulsen ungestört. Jedes dieser Gatter 90, 91» 92 ist mit dem Zwischenspeicher 94 verbunden. Ein Linear-Gatter-Auswahlschalter 95 ist zwischen dem Meßwählerschalter 89 und den Linear-Gattern 90 und 91 geschaltet, und kann somit die Gatter 90 und 91 vom Meßwähler-Schalter 89 trennen.

Das Ausgangs-Signal des Verstärkers 87 wird einem ersten Einzelkanal-Analysier-Schaltkreis 93 augeführt. Das Analysiergerät 93 spricht nur auf die Spannungshöhe des Synchronisations-Impulses vom Synchronisierungs-Schaltkreis 67 an und steuert die digitalen Gatter 96, 97 und 98.

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Die Amplitude der Synchronisationsimpulse ist so gewählt, daß die Datenimpulse die Analysiergeräte nicht ansteuern können. Die digitalen Gatter 96, 97 und 98 sind zum öffnen der entsprechenden Linear-Gatter 90, 91» 92 vorgesehen, die die Datenimpulse zu bestimmten Zeitintervallen für eine spezielle Messung durchlassen. Die digitalen Gatter sind manuell adjustierbar, um Rechteckwellen-Ausgangssignale von variabler Zeitdauer und Anfangszeit auswählen zu können. Zwischen dem Analysiergerät 93 und den digitalen Gattern 97 und 93 ist ein Digital-Gatter-Auswahlschaltkreis 99 geschaltet, der zur Trennung des Ausganges der Digital-Gatter vom Analysiergerät 93 vorgesehen ist. Der Ausgang des Zabelkasten-Schaltkreises 84 ist ausserdem mit einem Einzelkanal-Analysiergerät 101 verbunden, das nur die positiven Synchronisationsimpulse des untertägig angeordneten Synchronisationsimpuls-Generator-Schaltkreises 47 empfängt. Die Synchronisationsimpulse des Synchronisations-Schaltkreises 67 sind im Leiter 86 vor ihrem Eintreten in den Verstärker 87 noch negativ und können somit gegenüber dem Analysiergerät 101 diskriminiert werden. Ein Schalter 100 verbindet entweder den Ausgang des Analysiergerätes 93 oder des Analysiergerätes 101 mit dein digitalen Gatter 98. Das Ausgangssignal des Zwischenspeichers 94- wird einem Computer 102 zugeführt, indem die Ableitung des erwünschten Verhältnisses der Zerfallszeit thermischer Neutronen oder die Ueutronen-Gammastrahlungs-Messung von den Gammastrahlen-Daten erfolgt. Das Aufzeichnungsgerät 103 erzeugt eine Aufzeichnung der Meßdaten als Punktion der Bohrlochtiefe.

ORIGINAL

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Für die Messung der Zerfallszeit thermischer Neutronen übermittelt das Kodiergerät 82 das Frequenz-Steuersignal zum untertägig angeordneten Dekodiergerät 62 der den Sperrkontakt-Schaltkreis 61 beaufschlagt, so daß eine Spannung zum Ionenquellen-Schaltkreis 45 der Ionenquelle 26 B übermittelt wird. Dies ist der Schaltungszustand für eine kontinuierliche Meßarbeit zum Messen z.B. der Neutronengammastrahlung. Zur Messung der Zerfallszeit der thermischen Neutronen wird ein Frequenz st euer signal zur Beaufschlagung des Spez'rkontaktschaltkreises 59 benutzt. Sämtliche UND-Gatter 50» 52 und 53 sind geschlossen, wenn das Ausgangssignal des Sperrkontakt-Schaltkreises 59 das UND-Gatter 52 öffnet. Aus der Fig. 4 sind Details des Hintergrund-Synchronisations-Impuls-Generator-Schaltkreises 47 der Fig. 3 ersichtlich. Das 1 EHz-Ausgangssignal vom leiler-Schaltkreis 42 wird einem Fehlschaltkrois 75 zugeführt und durch ein Gatter 79 dem monostabilen Multivibrator 48 in Fig. 3 zugeführt. Der monostabile Multivibrator 48 steuert die Zeitdauer des Neutronen-Impulses der von der Neutronen-Quelle 26 erzeugt wird. Der Synchronisations-Schaltkreis 67 übermittelt über den zentralen Leiter 65 einen negativen Synchroriisations-Impuls für jedes Arbeitsspiel dec monostabilen Multivibrators 48. Hat der Zählschaltkreis 75 944 Neutronen-Eingangsimpulse gezählt, beaufschlagt ein Dekoder-Schaltkreis 76 den Flip-Flop 77» der die Impulse zum monostabilen Multivibrator 48 über das Gatter 79 abschneidet. Ein Impuls-Generator 78 übermittelt in Erwiderung auf die Beaufschlagung des Flip-Flops 77 einen positiven Synchronisstions-Impuls über den zentralen Leiter 65» der den Beginn einer Zählperiode für die Hintergrund-Gammastrahlung anzeigt.

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ORIGINAL !NoFECTED

Nachdem der Zählschaltkreis 75 1000 Impulse gezählt hat, stellt ein Dekodier-Schaltkreis 80 den Flip-Flop 77, so daß das Pulsen der Neutronen wieder aufgenommen werden kann. Die positiven und negativen Synchronisations-Impulse und die ermittelten Gammastrahlen-Impulse werden über den zentralen Leiter 65 zur obertägigen Datenverarbeitungsanlage übermittelt. In dieser Anlage ist der Schalter 100 in der Position, um das Analysiergerät 101 mit dem digitalen Gatter 98 zu verbinden. Die anderen obertägig angeordneten Schalter sind in der dargestellten Position. Der negative Synchronisationsimpuls vom • Synchronisierungs-Schaltkreis 67 wird ermittelt und beaufschlagt das digitale Gatter 96 und erzeugt ein öffnen des Gatters über eine Zeitspanne 36A (siehe Fig. 2B) und beaufschlagt auch das Gatter 97» so daß auch dieses über eine Zeitspanne 36 B öffnet, so daß die ermittelten Impulse durch die Linear-Gatter 90 und 91 zum Zwischenspeicher 94· während der Öffnungszeiten J6 A und 36 B durchgeleitet werden können. Bei Ankunft des positiven Synchronisationsimpulses vom Synchronisations-Schaltkreis 4-7 wird das Analysiergerät 101 aktiviert und das digitale Gatter 98 beaufschlagt, um über eine Zeitspanne 36 C in offener Stellung zu verbleiben. Der Zwischenspeicher 94- übermittelt die Eingangsdaten dem Computer 102 der aus den übermittelten Daten die makroskopische Zerfallszeit thermischer Neutronen oder die Werte des Einfangquerschnittes errechnet.

Um eine Kohlenstoff/Sauerstoff-Messung nach Aufzeichnung der Zerfallszeit thermischer Neutronen zu halten, wird das Heßsystem in die gewünschte Stellung zurückgestellt.

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255''595

Der elektrische Strom wird zur Abschaltung der Sperrkontakt-Schaltkreise 59 und 61 unterbrochen. Ein Frequenz-Steuersignal von dem übertägig angeordneten Kodiergerät 82 wird dann zur nacheinander erfolgenden Beaufschlagung der Sperrkontakt-Schaltkreise 61 und 57 ausgesendet. Dieses Frequenz-Steuer-Signal bringt die Neutronen-Quelle 26 in Arbeitsstellung und öffnet das UND-Gatter 50. Die nachfolgenden Impulse vom Haupttaktgeber-Schaltkreis 40 bringen den monostabilen Multivibrator 44 bei 20 KHz Frequenz in Arbeitsstellung, wodurch gleichseitig die Impulsdauer der Ionenquelle auf 20 Mikrosekunden festgelegt wird. Negative Synchronisations-Impulse des Synchronisations-Schaltkreises 67 werden in sich wiederholender Weise zur übertägig angeordneten Signalverarbeitungsanlage übermittelt. In dieser Anlage ist der Schalter 100 dann in der dargestellten Position. Somit erzeugen bei oede^m Synchronisations-Impuls die digitalen Gatter 96, 97 und 98 die ßatter-Zeitimpulse 35A, 35B, 35C. Während dieser Zeitintervalle werden die Gammastrahlen-Datenimpulse zu den Eingängen der Lineargatter 90, 91 und 92 weitergeleitet. Die Datenimpulse von den Gattern 90» 91 und 92 werden dem Zwischenspeicher 94 übermittelt, von dem sie für eine weitere Verarbeitung im Computer 102 bereitstehen, um nachfolgend auf dem Aufzeichnungsfeld 103 aufgezeichnet werden zu können.

Der Idnear-Gatter-Auswahlschalter 95 kann zur Trennung der Linear-Gatter 90 und 91 von den Eingangssignalen des automatischen Verstärkungsfaktor-Steuerschaltkreises 88 beaufschlagt werden.

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-20- 2BS¹⁷^B

Der Meßwählersehalter 89 kann dann zwecks direkter Kupplung der Datenimpulse zum Zxfischenspeicher 94· über eine Leitung 105 geschaltet werden. Auf diese Weise kann eine herkömmliche Neutronen-Gammastrahlen-Messung ebenfalls hergestellt werden,falls es erwünscht ist-

Um die Spannung in der Neutronenquelle 26 zu verändern, wird über den Leiter 72 ein Frequenz-Steuersignal zum Dekoder-Schaltkreis 62 übermittelt, der den Ausgangssponnungs-Schaltkreis 70 schaltet. Für jede Schaltfunktion kann die Spannung der Hochspannungsquelle 69 erhöht oder erniedrigt werden. So kann z.B. die Hochspannungsquelle 69 125 Kv betragen und die Niederspannungsquelle 71 Spannungsänderungsschritte von 5 Volt erzeugen. Mit einem 6-Stufen-Schalter kann die Spannung für die Auffangelektrode der Neutronen-Quelle 26 in 5 Schaltstufen auf 125 Kv erhöht werden und dann in der 6. Stufe auf 100 Kv zurückgeschaltet werden.

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Claims

2 5S7 Sh 75 062 D Pat entansprüche

1) Vorrichtung zur Untersuchung der Eigenschaften von Eorinationen im Bereich des Bohrloches mittels sich xviederholender hochenergetischer Neutronen-Impulse, gekennzeichnet durch eine flüssigkeitsundurchlässige Bohrloch-Meßsonde (25), die über ein armiertes Meßkabel (30), das mindestens einen elektrischen Leiter und eine Erdpotentialverbindung; aufweist, mit einer übertägig angeordneten Signal-Verarbeitungsanlage (3"0 verbunden ist, durch eine in der Meßsonde (25) angeordnete Einrichtung (26) zur Erzeugung der hochenergetxschen ITeutronen-Impulse in Erwiderung auf Eingangs-Signale, durch mindestens zwei Kanal-Einrichtungen zur Erzeugung von Eingangs-Signalen unterschiedlicher Wiederholungsraten,

durch eine Einrichtung innerhalb der Meßsonde (25) zur selektiven Verbindung einer der Kanal-Einrichtungen mit Einrichtung (26),

durch eine Einrichtung zur selektiven Zuführung von Auswahl-Steuersignalen über den Leiter des Keßkabels (3C) zur Heßsonde (25) und durch

einen in der Meßsonde (25) angeordneten Dekoder-Schaltkreis (62), der in Erwiderung über die Auswahl-Steuersignale zur selektiven Verbindung einer der Kanal-Einrichtungen diese in schaltungstechnischer Verknüpfung mit der Einrichtung (26) versetzt.

6 0 9 8 2 8/0212 ^UH'G/MAL inspected

- 22 - 2 5 5 ^v::: 9

2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Meßkabel (30) zwei Leiter (63_} 65) aufweist,

daß die Signal-Verarbeitungsanlage (3Ί) eine Einrichtung zur Erzeugung diskreter Auswahl-Steuersignale, die über den einen Leiter (63) des Meßkabels (30) der Meßsonde (25) zugeführt werden, aufweist,

daß der Dekoder-Schaltkreis (62) über den Leiter (63) zur Erzeugung diskreter Steuersignale für die in der Meßsonde (25) angeordneten Schaltkreise die Auswahl-Steuersignale empfängt,

daß die Einrichtung (26) zur Erzeugung der hochenergetischen Neutronen eine Auffangselektrode (26c) eine Ionen-Quelle (26b) und einen Auffrischer (26a) auf v/eist, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die in Erwiderung

dieser
eines/in der Meßsonde (25) erzeugten Steuersignole eine Steuerspannung an die Ionen-Quelle (26b) anlegt, daß für die Erzeugung von Signalen zur Unterbrechung der Steuerspannung, wobei eine Festlegung der Arbeits-Impulsweite der Ionen-Quelle (26b) erfolgt, die zwei Kanal-Einrichtungen vorgesehen sind,

daß ein Synchronisations-Schaltkreis (67) zur Erzeugung eines ersten negativen Synchronisations-Impulses, der kennzeichnend für die Arbeitsweise xier'Ionen-Quelle (26b) ist, vorgesehen ist,

daß eine Einrichtung zur Verbindung einer der Kanal-Einrichtungen mit der Ionen-Quelle (26b), in Erwiderung auf eines der diskreten, in der Meßsonde (25) erzeugten Steuersignale, vorgesehen ist,

ORiQiNAL INSPECTED

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2 Γ Γ 1 ι~ O C '5 b / ο d ο

daß ein Detektor (27) zur Ermittlung der Gamma strahlen-Energie und Erzeugung entsprechender Datenimpuls-Signale vorgesehen ist, wobei die Datenimpuls-Signale und die Synchronisations-Impulse des Synchronisations-Schaltkreises (67) über den zweiten Leiter (65) des Meßkabels (30) in schaltungstechnischer Verknüpfung mit der Signal-Verarbeitungsanlage (31) stehen,

daß im Eingang der Signal-Verarbeitungsanla£-;e (31) eine Verstärker-Einrichtung (87, 88) zum Empfang ler Datenimpuls und Synchronisations-Signale angeordnst sind, daß ein Zwischen-speicher (94-) für den Empfang der Datenimpuls-Signale in der Signal-Verarbeitungsanlage (31) angeordnet ist, und

daß dem Zwischenspeicher ein Computer (102) und ein Aufzeichnungsgerät (103) zur Verarbeitung und Aufzeichnung der Datenimpuls-Signale als Funktion der Bohrlochteufe nachgeschaltet sind.

3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Verstärker-Einrichtung (87, 88) und dem Zwischenspeicher (94·) ein erstes Linear-Gatter (90) zum Durchleiten der Datenimpuls-Signale und ein digitales Gatter (96) zur Steuerung der Zeitintervalle des Arbeitsspieles des Linear-G-atters (90) vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung (93), zum Empfang der Synchronisations-Impulse und ztir Beaufschlagung des digitalen Gatters (96) vorgesehen ist.

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4) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verstärker-Einrichtung (87, 88) und dem Zwischenspeicher (94·) ein zweites und drittes Linear-Gatter (-91, 92) angeordnet ist, daß ein zweites und drittes digitales Gatter (97, 98) zur Steuerung der Zeitintervalle des Arbeitsspieles der entsprechenden Linear-Gatter (91, 92) vorgesehen ist, und

daß die Einrichtung (93) zum Empfang der Synchronisations-Impulse selektiv verknüpfbar mit den digitalen Gattern sind.

5) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Kanal-Einrichtungen ein Schaltkreis (47) zur Entwicklung eines zweiten Synchronisations-Impulses und zur Ermittlung der Hintergrund-Gammastrahlung vorgesehen ist,

daß zur Übermittlung der zweiten Synchronisations-Impulse und der die Hintergrund-Gammastrahlung darstellenden Daten-Impulse der zweite Leiter des Meßkables (30) vorgesehen ist, und daß die in der Signal-Verarbeitungsanlage (31) ankommenden zweiten Synchronisations-Impulse selektiv verbindbar in schaltungstechnischer Verknüpfung mit dem dritten digitalen Gatter (98) zur Messung der Hintergrund-Gairiinastrahlen-Datenimpulse stehen.

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9-- r- — Γ- -~\ Γ*

6) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (101) zur Ermittlung mindestens eines weiteren Synchronisations-Impulses während eines Neutronen-Ausstoßes vorgesehen ist, und daß die Einrichtung (93) slit zwei digitalen Gattern (96, 97) und die Einrichtung (101) mit dem verbleibenden digitalen Gatter (98) verbunden ist.

7) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (100} zur selektiven Verbindung des digitalen Gatters (98) mit einer der beiden Einrichtungen (93» 101) vorgesehen ist,

8) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (95) zum Abschalten von mindestens zwei der für die Verarbeitung der Datenimpuls-Signale vorgesehenen Linear-Gatter vorgesehen ist.

9) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (89) zur Abschaltung der drei Linear-Gatter (90, 91, 92) und direkten Verknüpfung des Meßkabels (3>0) mit dem Zwischenspeicher vorgesehen ist.

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10) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du rch gekennzeichn et , daß eine Einrichtung (69, 70» 7Ό zur schrittweisen Veränderung der an die Auffangelektrode (26c) angelegte Spannungshöhe vorgesehen ist, daß der Dekoder (62) über einen Leiter (72) mit der vorgenannten Einrichtung (65j 70, 71) schaltungstechnisch verbunden ist, um in Erwiderung von dem Dekoder (62) zugeleiteten Steuersignalen die Einrichtung (69, 70, 71) zu steuern.

11) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eino Einrichtung zum Anlegen einer Steuerspannung an die Ionen-Quelle (26b) vorgesehen ist, daß der Dekoder (62) mit der vorgenannten Einrichtung verbunden ist, um diese in Erwiderung von den Dekoder (62) sugeführten Steuersignalen zu beaufschlagen, und daß jede der Kanal-Einrichtungen und die Einrichtung zum Anlegen einer Steuerspannung zwecks Festlegung der unterschiedlichen Impulsweite der Ionen-Quelle (26b) kooperieren.

12) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gatter (50, 51, 52, 53) in jeder der Kanal-Einrichtungen zur Steuerung des Durchlaufes der Signale durch diesselben vorgesehen sind, daß Sperrkontakt-Schaltkreise (57, 58» 59, 60) zur Steuerung der Öffnungszeiten der Gatter (50, 51, 52,532 vorgesehen sind, und daß der Dekoder (62) zur selektiven Beaufschlagung der Sperrkontakt-Schaltkreise (57, 58, 59, 60) in Erwiderung auf dem Dekoder (62) zugeführten Steuersignalen mit den Sperrkontakt-Schaltkreisen verbunden ist.

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13) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

fur

daß/ die Kanal-Einrichtungen zur Erzeugung der Eingangs-Signale mit ausgewählter Wiederholungsrate und zur Erzeugung einer unterschiedlichen Signal-Zeitdauer bei der Erzeugung der sich wiederholenden Signale ein Haupttaktgeber-Schaltkreis (4-0) sowie diesen nachgec-chaltete Teiler-Schaltkreise (41, 42, 43) vorgesehen sind ,und daß zwischen den Gattern (50, $1, 52, 53) und den Schaltkreisen (40, 41, 42, 43) jeweils ein monostabiler Multivibrator (44, 45, 46, 48) geschaltet ist.

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