KR810000402B1 - 중성자 펄스에 의한 지층 탐사방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

중성자 펄스에 의한 지층 탐사방법

제1도는 본 발명의 구체적인 일예를 나타낸 도해도.

제2도는 중성자 펄스로 지층을 조사(照射)한 다음 τ의 함수로서 나타낸 포획 감마선의 시간분포 도해도로서, 본 발명에 따라서 분광분석 및 붕괴시간 검지기간의 바람직한 시간을 나타낸 도면.

제3도는 본 발명에 따라서 하나로 합쳐진 붕괴시간-분광분석 기농에 대한 기본 동작주기의 일예.

제4도는 분광 회로도에 보정 펄스를 전달하는 것에 관한 예시도이다.

본 발명은 원자핵을 이용하는 시추방법에 관한 것으로서, 특히 지층의 중성자 특성자료와 감마선 분광자료를 함께 묶어서 연속적으로 기록하여 지충내에 함유된 탄화수소의 위치와 채굴성에 관한 더욱 정확한 정보를 제공할 수 있는 개량된 시추방법에 관한 것이다.

일반적으로 기름이나 또는 가스를 함유하는 지반을 찾아내기 위하여 지층의 특성장치를 탐사하여 연속적으로 기록하는데 있어서는 탄화수소의 존재 여부를 알아내는 것 뿐만아니라 그 포화도와 채굴의 용이성을 알아내는 것도 중요하다. 따라서, 암석 특성, 혈암성, 다공성 및 염분성과 같은 지층형성 인자에 관한 정보를 알아내야 하는데, 이러한 정보는 지층의 탄화수소와 물의 함유량과 아울러 채굴성을 알아내는데 필요하다.

전술한 바와 같은 정보를 알아내기 위하여 원자핵을 이용한 시추방법중의 한가지는 1970년 7월 21일자로 제임스 에이취. 모란등에게 허여된 후 본 출원의 양수인이 양도받은 미국특허 제3,521,064호이다. 이러한 모란등의 장치에 있어서는 미지조성의 지층에 대하여 검출해낸 감마선 에너지 스펙트럼, 즉 열에 의한 중성자 포획 감마선 스펙트럼을 기지의 조성물들의 스펙트럼들로 이루어진 혼성 스펙트럼과 비교하여 분석하도록 되어 있다. 수많은 지점 또는 에너지 준위에서 검출한 감마선 에너지 스펙트럼의 에너지의 양을 그 혼성 스펙트럼의 에너지의 양과 비교하여 최선의 일치점을 구함으로써 지층의 조성을 정확하게 분석할 수 있다.

이 기지의 조성물들의 스펙트럼들을 적절히 선택하여 분광 분석하면 다공성, 혈암성, 염분성, 암석특성등과 같은 알고자 하는 지층성질의 대표값을 알아낼 수도 있다. 그러나 이 모란씨의 원리에 의한 공지의 장치는 간성현상과 통계적인 불확실성으로 인하여 어떤 상황에서는 이용할 수가 없다.

원자핵을 이용한 또 다른형태의 시추방법은 지층에 관하여, 예컨대 열에 의한 중성자 수명 또는 붕괴시간(τ), 거시적인 흡수(포획) 단면(Σ), 및 중성자 감속시간을 포함하는 중성자 특성들중에서 하나 이상을 측정하는데에 있다. 이러한 중성자 특성을 측정하는데 이용하는 장치들에 관해서는 본 출원의 양수인에게 양도된 1971년 2월 23일자 윌리엄 비, 넬리간의 미국특허 제3,566,116호, 1972년 5월 9일자 아서 에이취. 프렌트로프등의 미국특허 제3,662,179호, 및 1973년 5월 1일에 출원된 윌리엄 비. 넬리간의 미국출원 제356,151호에 설명되어 있다. 이 장치들에 의하면 특히 염수와 기름을 구별하고 물의 포화상태의 변화를 알아내는데 유용한 대단히 가치있는 정보들을 구할 수 있다. 그러나, 중성자특성기록, 예컨대 τ와 Σ기록에 관한 표시는 지층의 암석특성, 다공성 및 혈암성에 관한 믿을만한 관련자료에 의해서 보완시킨다.이는 특히, τ와 Σ기록의 신뢰도가 덜하고 τ와 Σ값에 비슷한 다른 지층특성 징후가 있는 염분도가 낮은 지층의 경우에 알맞다.

제이. 티트맨은 1968년 11월 26일자 미국특허 제3,413,471호에서 열에 의한 중성자 수명시간 기록과 감마선 분광 분석기록자료 사이에는 일반적으로 유용한 상호 연관성이 존재한다는 것을 인식하였으나, 현재까지는 단일의 장치로서 탄화수소가 들어있는 부위를 완전하고 정확하게 찾아내기 위한 각종의 지층 특성들에 관한 충분한 정보를 제공할 수 있는 방식으로 중성자 특성기록과 감마선분광 분석기록 기능들을 일체로 결합시키지는 못하였다.

그러므로, 본 발명의 목적은 탄화수소를 함유하는 지층의 위치와 채굴성에 관한 정보를 더 제공하는, 특히 내면을 강관으로 둘러싼 시추공에 사용키 위한 개량된 원자핵을 이용한 지층 특성자료 기록방법을 제공하는 데에 있다.

전술한 목적과 그 밖의 목적들은 본 발명의 일면에 따라서 시추공 둘레의 지층의 중성자 특성의 시간에 따른 측정치를 구하는 것으로 된 지층 탐사방법에 의해서 성취할 수 있는데, 이 방법은 지층에 첫번째 중성자 펄스를 조사시키고, 이 첫번째 중성자 펄스와 지층의 원자핵들간의 상호작용에 의해 발생된 감마선 에너지의 대표치를 구하고, 이 중성자 펄스를 지층에 조사시킨 후 제1검지 기간동안에 구한 이들 중성자펄스에 의한 대표치들에 일치하는 감마선 에너지 스펙트럼 중 최소한 일부를 분석하고, 제1검지 기간의 시간은 지층의 중성자 특성의 시간에 따른 측정치의 함수로서 제어한다는데에 그 특징이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 받아들인 펄스를 여러가지 진폭범위로 분류하는 펄스진폭 분석기의 입력 통로(input-channel) 관계를 넓은 온도 범위에 걸쳐서 정확하게 유지시키는 방법에 의해서 성취할 수 있는데, 이 방법은 서로 크고 작은 진폭의 제1및 제2시험 펄스를 각각 발생시키고, 이 제1및 제2시험 펄스의 진폭들간의 기정된 관계를 넓은 온도범위에 걸쳐서 유지시키고, 이 제1및 제2시험 펄스를 펄스 진폭 분석기에 가하고, 제1및 제2시험 펄스가 펄스 진폭 분석기에 의해서 전달되는 통로(channel)를 각각 결정하고, 각 통로 비율을 정한 다음에, 이 통로비율에 응하여 펄스 진폭 분석기를 제어하여 펄스를 정확한 통로로 분류하는 단계로 구성함을 특징으로 한다.

중성자 특성이란 지층의 열에 의한 중성자 흡수특성, 즉 열에 의한 중성자 붕괴시간(τ) 또는 거시적인 흡수(포획) 단면(Σ)을 의미하며, 분석된 감마선 에너지 스펙트럼이란 열에 의한 중성자 흡수(포획) 감마선 스펙트럼을 의미한다. 시간에 따라 분포된 감마선 중에서 중성자 흡수 특성의 측정치에 따라 분석하고자 하는 부분을 선택함으로써 탐사 대상인 특정 지층에 대한 중성자 포획 감마선 에너지 스펙트럼을 적절하게 선택할 수 있다. 이와 같이 선택된 스펙트럼은(그 지층에 있어서) 중성자 펄스로 인한 중성자 포획 감마선의 시간에 따른 분포의 지속시간과 모양을 대부분 결정짓는 열에 의한 중성자 흡수특성이 시추공을 둘러싼 지층들간에 서로 다를지라도 그 지층의 조성에 대한 대표적인 것이 된다.

본 발명에 대하여 첨부한 도면을 예로들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기에 언급한 바와 같이, 본 발명은 지층내의 유류-함유 또는 가스-함유 지역의 위치와 매장량에 대한 정확한 정보를 제공하는데 목적이 있다. 특히 본 발명은 예컨대, 작업이 끝났거나 현재 생산중인 갱에 대하여 미생산유전등을 찾아내기 위하여 내면이 강관으로 둘러싸인 시추공내에서 지층의 특성을 탐사하기 위한 것이나, 내면을 개방시킨체로 둔 시추공내에서도 마찬가지로 이용할 수 있다. 본 발명은 특히 바람직하게 실시하기 위한 장치를 제1도에 도식적으로 도시하였다. 특히 본 장치는 상술한 넬리간과 프렌트로프등의 특허에 소개된 바와 같이 지층의 τ와 Σ를 측정하고 상술한 모란등의 곡선-대조법에 따라 지층의 포획 감마선 스펙트럼들의 선택된 부분들을 분석하는 것을 동시에 할 수 있는 장치로 구성된다. 그러나 도시한 것은 설명을 하기 위한 것일뿐이지, 본 장치는 다른 중성자 특성을 측정하는데는 물론 포획 감마선 스펙트럼이외의 다른 감마선 에너지 스펙트럼을 분석하는데도 이용할 수 있다.

제1도의 본 발명을 실시하기 위한 대표적인 장치의 예를 볼것 같으면 장갑한 케이블(14)에 의해서 시추공(12)내에 매달려 지층(16)을 탐사할 수 있게끔 되어있는 유체가 통하지 못하게끔 되어있는 동시에 압력과 온도에 견딜 수 있는 시추공구(10)가 포함되어 있다.

도시한바, 시추공(12)에는 유체(18)가 들어있으며, 강철벽(20)과 그것을 환상으로 둘러싼 시멘트(22)가 포함되어 있다. 비록 도면에는 시추공속에 도관이 표시되어 있지 않으나, 필요하다면 시추공구의 크기를 도관속에 사용할 수 있도록 조절할 수 있다.

시추공구(10)에는 중성자 펄스 공급원(24)과 방사선 검지기(26)가 서로 거리를 두고 배치되어 있다. 공급원(24)과 검지기(26) 사이에는 공지 조성의 중성자 차폐막(28)을 배치하여 검지기에 중성자가 직접 조사되지 못하도록 한다. 중성자 공급원(24)은 예컨대 14Mev의 고속 중성자로 이루어진 불연속적인 펄스를 발생시키도록 되어 있으며, 그 형태는 1961년 7월 4일자 시. 굳맨의 미국특허 제2,991,364호와 1970년 12월 8일자로 허여된 에이. 에이취. 프렌트로프의 미국특허 제3,546,512호에 소개된 것이 적당한 데, 이들 두 특허는 모두 본 출원인이 소유하고 있다. 검지기(26)는 감마선을 검지하여 그 검지된 각 감마선에 응답하여 그 감마선 에너지를 의미하는 진폭을 갖는 펄스신호를 발생시키는데 적당한 구조로 된 것이라면 어느 것이라도 좋다. 기본적으로 검지기는 광-증폭관(32)에 공지의 방식으로 광학적으로 결합되는 섬광결정(30)을 포함한다. 결정(30)은 탈리움-활성화 소디움 아이오다이드형이 적당하지만 탈리움이나 소디움-활성화 세시움 아이오다이드형도 사용할 수가 있다.

이외에도 게르마늄(리티움)결정을 갖는 고체 검지기를 사용할 수도 있다. 시추공구(10)의 동력은 지표동력원(도면에 없음)으로 부터 케이블(14)을 통해 공급되며, 중성자 공급원(24), 검지기(26)-기타의 시추공구 설비를 동작시키기 위한 적당한 동력원(도시 안했음)을 공구(10)속에 포함시킨다. 보론-카바이트슬리브(34)는 공구(10)의 공급원(24)과 검출기(26)의 부위를 둘러싸고 있다. 슬리브에는 공구(10)를 따라 시추공속의 유체가 통과할 수 있도록 장방형의 구멍이 새겨져 있으며, 이 슬리브 직경의 크기는 강철벽(20)속에서 공구가 자유롭게 움직일수 있도록 하는 정도로 하여야 한다. 슬리브(34)는 여러가지 경로를 통해 검지기(26)에 이르는 불필요한 감마선의 수를 줄인다. 이 슬리브는 공구의 검지기부위로부터 시추공속의 유체를 분리시킴으로써 그 유체와 중성자간의 작용으로 인한 감마선을 최소화시킴은 물론 검지기 부위의 중성자 흡수체로서 작용함으로써 중성자와 강철벽간의 상호 작용이나 공구자체의 철의 활성화 및 기76)으로 보내어 분류기를 조정함과 도시에 선형 게이팅회로를 동작시킨다. 각 중성자 펄스로 인한 신호의 시간분포중에서 분석하고자 하는 부분은 그 중성자 펄스로 인한 감마선 시간분포중의 필요한 어느 부분에 해당되는 동시에, 지층의 원자핵의 열에 의한 중성자 포획작용으로 인한 감마선에 바람직하게 대응한다. 그러므로 프로그래머(46)는 선형 게이팅회로가 지층 포획 감마선이 계속되고 있을때 각 중성자 펄스에 이어지는 기간동안 열려있도록 도선(76)상에 능동신호를 발생시키도록 구성하는 것이 바람직하다. 다음에 설명할 것이지만 이러한 제어(검지)주기의 발생시간은 회로(56)에 의해 측정된 τ의 함수로서 선행하는 중성자 펄스에 따라서 제어된다. 이 목적을 위해서 프로그래머(46)는 관련된 중성자 펄스의 발생과 동시에 필요한 계수 가능신호를 발생시키기 위한 적당한 논리 및 신호 복합회로를 포함한다.

제어된 검지기 신호에 대응하는 감마선의 전에너지 스펙트럼 중에서 분석하고자 하는 부분은 필요에 따라 선택할 수 있으며, 예컨대 1.5Mev-7.5Mev의 범위에 있는 것으로 알 수 있다. 분석하고자 하는 에너지 범위에 걸쳐서 사용되는 통로의 수는 분석의 정확도와 사용된 섬광결정의 분해능에 의존한다. 탈리움활성화 소듐 아이오다이드 결정의 경우에는 1.5Mev-7.5Mev의 에너지 범위에 걸쳐서 200개 정도의 통로를 이용하면 만족할 만한 스펙트럼 분석결과를 얻을 수 있다. 그러나 필요에 따라서는 통로의 수를 더 작게 예컨대 50개 정도로 할 수도 있다. 기본적으로 분석기(68)의 통로의 수, 통로폭, 총에너지범위, 및 기타 특성들은 모란등의 특허 제3,521,064호에 따라서 결정할 수 있다.

처리 및 동작회로(64)는 데이타가 실린 신호를 받아서 적당한 방법으로 부호화시키고, 타임 디비젼 멀티플렉싱(time division multiplexing) 또는 기타의 준비를 하여 케이블(14)에 전달하기 위한 공지의 장치로서, 본 발명의 특징과는 관계없는 것이다. 이러한 회로(64)의 적당한 구조는 미국특허 제563,507호에 상세히 기술되어 있다.

지표에서 2진 계수회로(69)에서 나온 Σ에 관계된 신호와 펄스진폭분석기(68)에서 나온 통로당 계수신호(counts-per-channel)는 회로(78)에서 필요에 따라 증폭, 해독등 제반처리를 거쳐 도선체(80)를 거쳐 컴퓨터(82)에 연결된다. 콤류터는 Σ와 τ두값중 어느 한가지 또는 그 두 값을 모두 계산해냄은 물론 필요한 분광분석치, 예컨대 수분포화량, 혈암성, 암석특성, 다공성, 수분의 염분도등을 표시하는 값들을 계산해낸다. 분광분석 출력의 바람직한 형태는 다음과 같다. 이들 값에 대한 디지털표시는 도선(84A-84H)은 거쳐 테이프 레코더(86)와 디지털-아날로그 변환(DAC)회로(88)로 전달되는데, 이 회로(88)는 각 입력에 비례하는 아날로그 신호를 발생시켜 시각기록기(90)에 전달한다. 제1τ-검지기간(Ⅰ)중의 평균 계수율 또는 주전압등과 같은 시험자료를 기록시킬 수도 있다. 테이프 레코더(86)와 시각기록기(90)는 재래식의 것으로서 지층의 특성치를 공구깊이의 함수로서 관례대로 기록할 수 있는 것이 적당하다. 통상의 케이블연결방법을 제1도에 부호(92)로 표시하였다.

컴퓨터(82)는 전술한 τ와 Σ및 스펙트럼 대조성상, 구성비의 결정 및 모란 연구진에 의해 미국특허 제3,521,064호에 기재된 비율형성 공정을 적당히 계산할 수 있도록 제조되어 있다.

예를 들면 컴퓨터(82)는 매사추세츠 메이나드의 디지털장치회사(Digital Eguipment Corporation)에서 제조한 PDP-11형의 것으로 할수 있다. 컴퓨터는 제1도에 도시한 바와 같이 시추공 주변에 설치할 수도 있고 시추공에서 멀리 떨어지게 설치할 수 있는데, 이들은 1개의 통로에 대한 계수의 기록측정치, τ및 Σ자료, 예컨대 전자 테이프상의 진행회로로 부터 암호풀이된 신호의 기록에 의해 얻어진 테이타를 처리한다.

중성자 펄스 공급원(24)과 검지기(26)의 인근 주변내의 물질 [공구함, 시추유체(18), 강철벽(20), 환형세멘트(22)등등]과 중성자의 상호작용에 의해 일어나는 지층 포획 감마선 스펙트럼의 분석시에 일어나는 간섭현상, 소위 ＂시추공효과＂는 분광분석검지기간의 시간을 그와 관련된 중성자 펄스 발생시간에 대하여 탐사지층의 τ측정치에 따라 조절함으로써 감소시킬 수 있다는 것이 본 발명의 특징이다. 이것을 도시한 제2도를 보면 포획 감마선 계수율은 붕괴시간 (τ)으로 표시한 바와 같이 고속 중성자 조사(98)후에 시간에 따라서 변한다는 것을 알수 있다. 시간분포 곡선(100)의 좌측끝에는 초기 시추공효과, 즉 중성자 공급원과 검지기바로 주변의 시추공 매질속의 열에 의한 중성자의 높은 흡수율로 인한 급속한 붕괴영역이 존재한다.

그 다음은 실제적으로 직선 영역인데 넬리간의 방법에 의하면 이것이 열에 의한 중성자 붕괴시간을 결정하기 위하여 유용한 곡선의 부분이며 지층내의 열에 의한 중성자 밀도의 지수(指數)붕괴에 대한 반-대수(Semi-log)수의 점철지점과 일치한다. 마지막으로 우측에서는 곡선(100)이 평평해지는데, 이 영역의 계수율은 지층과 시추공속의 배후 방사능과 일치한다.

넬리간은 τ를 계산하기 위해서 중성자 펄스 발생후 검지주기 시작전까지 2τ만큼의 지체시간을 둠으로써 대부분의 바람직하지못한 시추공효과를 없애버림과 동시에 검지기간(Ⅰ)의 초기를 곡선(100)의 지수붕괴영역(exponential decay region )에 두고, 따라서 τ-계산회로(56)의 게이팅회로를 제어한다. 상술한 τ-게이팅 순서(전체 검지기간 7τ에 대하여 서로 연해있는 1τ및 2τ의 두 기간 Ⅰ과 Ⅱ와 기간Ⅱ으로 부터 1τ만큼 떨어진 3τ의 보정기간 Ⅲ)를 제2도에 도시하였으나, 넬리간이 설명하는 바와 같이 다른 전체 τ-검지 기간 및 그 전체 검지기간중의 다른 검지간격을 이용할 수도 있다. 어떤 경우에도 τ-검지기간의 시간선정은 특정 탐사지층의 τ에 따라서 자동적으로 제어된다.

포획 감마선의 분광목적을 위하여 전술한 중성자 펄스(98)의 종결후에 1τ만큼의 지체후에 시작되는 2τ의 분광분석 검지기간(제2도에 102의 숫자로 표시되어 있음)은 시추공효과를 만족스럽게 배제함과 동시에 높은 계수율을 제공하여 더욱 정확한 통계와 더 나은 주사 수평선밀도를 얻을수 있게끔 한다. 따라서, 분광분석 검지기간의 최적기가 지층의 중성자 특성 측정에 핵심적인 역할을 하므로 분광분석 기간은 한 지층으로부터 다음 지층까지 정확한 방법으로 자동 조절된다. 물론 검지기간(102)과 다른 시간위치를 이용해도 좋다. 그렇지만 일반적으로 분광분석 검지기간의 최적기는 시추공 효과를 억제하는 방식으로 보정계수율에 대하여 지층 포획 감마선 계수율을 최대화하도록 하여야 한다. 시추장치의 효율을 증가시키고, 계수율을 증가시키기 위하여는 중성자 펄스 발생시간과 중성자 펄스의 반복율을 τ에 따라 조절하여야 한다.

본 발명에 의하면 개개의 중성자 펄스는 1τ의 기간으로 하는것이 좋다. 또한 시차를 두고 조사되는 중성자 펄스의 기정된 수는 주기적으로 발생시키는 것이 바람직하다. 31τ기간의 최적 기본주기를 제3도에 도식적으로 묘사하였다. 여기에는 20τ분광분석 시간 부주기, 10τ붕괴시간 부주기 및 1τ재순환 주기가 포함되어 있다.

분광시간 부주기는 총 5개의 간격, 즉 A,B,C,D 및 E의 간격으로 구성되어 있고 이들 각개의 간격은 4τ기간에 해당하고, 이들 개개의 간격에는 1τ기간의 중성자 펄스(104A-104E)와 2τ기간의 분광분석 검지기간 (106A-106E)이 포함된다.

각각의 검지기간(106A-106E)은 제2도의 분광게이트(102)와 관련하여 기술한 방법처럼 관련된 중성자 펄스 104A-104E에 대하여 최적화된다. 개개의 중성자 펄스(104A-104E)는 분광분석 부주기의 진행도중에 중성자 펄스가 4τ의 간격으로 발생되도록 전술한 분광분석 검지기간(106A-106E)의 종결과 동시에 발생되게 하는것이 좋다.

붕괴시간 부주기는 전체 31τ주기내의 여섯번째 중성자 펄스(104F)와 함께 시작된다. 이들 펄스는 전술한 분광분석 검지기간(106E)의 직후에 발생되게 하는것이 좋다.

붕괴시간 부주기의 기본기능이 τ를 결정한다 하드래도 6번째 분광분석 검지기간(106F)이 이 부주기에 포함되어 있다.

붕괴시간 부주기 역시 두 개의 기본 검지기간(Ⅰ과Ⅱ)를 포함하고 있으며 τ-검지기가 감마선 검지기인 경우에는 제2도에 도시한 바와 같이, 보정 검지기간(Ⅲ)까지도 포함된다. 최후의 1τ간격은 프로그래머(46)의 재순환과 분광분석 안정화를 위하여 31τ주기내에 포함된다.

전술한 31τ주기는 시추공구가 시추공을 따라 이동될때마다 연속적으로 반복되고, 붕괴시간은 τ-계산회로(56)에 의해 반복적으로 결정되며 프로그래머(46)의 제어조건하에서 중성자 펄스(104A-104F)의 발생시간, 그와 관련된 분광분석 검지기간 (106A-106F) 및 τ-검지기간(Ⅰ, Ⅱ 및 Ⅲ)은 측정된 τ의 값에 따라 연속적으로 조절된다. 따라서 분광분석 검지기간(106A-106F)과 τ-검지기간은 각 중성자 펄스에 따른 감마선 시간분포 곡선중에서 그 분광분석 기능과 τ기능에 대한 감마선 활성도를 가장 잘 측정할 수 있는 영역에 자동적으로 놓여진다. 더우기 전체적인 31τ주기를 구성하는 중성자 공급원 펄스발생과 검지기의 게이트 순서는 많은 분광분석의 부주기(31τ중 12τ) 및 이에 대응하는 스펙트럼 분석용의 높은 계수율과 아울러 지층상태의 변화에 신속히 응답하기 위한 빈번한 τ추출(31τ마다 1회)을 제공한다.

물론, 시추공구(10)에 의해 제공된 감마선 에너지 스펙트럼의 분석결과는 검지기-분석기 장치의 에너지 응답의 안전성에 따라 달라진다. 모란등의 스펙트럼-대조법을 사용할 경우에는 장치의 에너지 응답특성을 공지의 표준 스펙트럼을 만들때와 지층 스펙트럼을 검지할때가 실질적으로 동일하도록 하여야 정확한 결과가 얻어진다. 그러므로 사용시 장치의 응답을 반복적으로 시험하고 검지된 모든 불안정 요소를 재빨리 보정할 수 있는 준비를 하는 것이 바람직하다.

이러한 불안정 요소는 대체로 시추공내의 온도변화에 따른 검지기 크리스탈, 광증폭기 및 시추공내의 전자장치의 감도는 물론 그외의 조작조건에 기인되지만 때로는 검지기-분석기 회로의 펄스 증폭의 자체변화라든가 펄스진폭 분석기의 펄스 분류회로의 펄스 진폭/통로 관계의 변화에서 오는 수도 있다. 이러한 오차의 점검과 보정은 적당한 시간에 적당한 방법으로 달성할 수 있다. 그렇지만 다음 공정을 위해서 전체 31τ주기중 24τ-31τ(제3도에서 안정화주기를 의미함)에서 수행하는 것이 좋다.

분석되는 감마선 에너지 범위 즉, 1.5Mev-7.5Mev보다 정점 에너지가 적은 자연 감마선 방출기는 검지기(26)에 근접하여 장치하며, 통로의 일부 즉, 특정 통로는 펄스 진폭 분석기(68) 내의 정점 에너지에 해당된다. 예를 들면 이러한 목적으로, 1.11Mev의 징크 65감마선 공급원(Zinc 65 Source)을 사용할 수 있다. 동작중의 검지기-분석기 장치의 에너지 응답은 징크 65정점에 대하여 세운 특정한 에너지/통로 관계에 속하는 지의 여부를 결정함으로써 정확히 점검될 수 있다. 이것은 1.11Mev에너지 준위로 배당된 통로위치의 어느 한쪽에서 특정수의 통로(에너지밴드)내에 도달되는 징크 65펄스의 수를 계수하고, 각 계수치를 서로 비교하며, 하나의 전체 계수량이 또다른 계수량보다 큰 경우에는 검지기-분리기의 응답을 조절하여 오차신호를 발생함으로서 즉, 특정 통로위치에서 1.11Mev에너지 준위가 재조정되도록 광증폭기(32)의 전원의 전압을 조절함으로서 달성할 수가 있다. 이러한 공정은 검지기-분석기의 위치변화에서 얻어지는 편차를 교정한다.

시추공구내에서 상기와 같은 방법으로 조절기능을 가진 회로는 미국특허 제2,956,165호에 기술되어 있다. 이외에도 계수 및 비교단계는 컴퓨터(82)에 의해 용이하게 달성할 수 있는데 컴퓨터는 광증폭기의 전원공급을 조절하는 적당한 크기와 극성의 오차신호를 발생한다. 또다른 형태의 컴퓨터는 협소한 범위의 감마선 에너지 피크의 계수 특성치로 부터 보정 피크의 특성치를 감하거나 감하지 않던간에 통로위치의 징크 65정점의 중심부가 계산되게 하고, 전술한 1.11Mev찬넬 관계를 부활하는 적절한 오차 신호가 발생되게 배열할 수 있다. 징크 65공급으로 인한 분광분석 검지기간 (106A-106F)동안 펄스 진폭 분석기(68)가 고정되지 않게 하기 위하여는 이것의 저부 분류기 준위 1.11Mev이상의 펄스만이 통과되도록 조절하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 저부 준위를 1.5Mev근처로 조정하고 24τ-31τ의 안정화 기간동안을 제외하고는 각개의 31τ주기를 통하여 상기 준위로 유지되게하는 것이 보통이다. 징크 65감마선 공급원에 해당되는 펄스를 통과시키기 위하여 저부 분류기 준위는 각개의 조절주기 24τ에서 조절되고 이 준위에서 31τ가 될때까지 지속 되었다가 정상적인 고도의 준위로 환원된다. 이러한 목적의 조절신호는 프로그래머(46)에 의해 발생되는데 이들 프로그래머(46)에는 그의 단부에 논리 및 신호의 복합회로가 적당히 포함되어 있으며 도선(72)을 통해 펄스 진폭 분석기(68)에 연결되어 있다(제1도 참조).

이와 같이 게이트신호는 프로그래머(46)에 의해 발생되어 안정화기간 동안에 펄스-분류회로에 징크 65펄스의 통과가 가능하도록 도선(76)을 통해 펄스 진폭 분석기(68)의 선형 게이팅회로(도면에 없음)에 도입된다.

전술한 게인-조절(gain-control)이외에도 펄스 진폭 분석기의 펄스 진폭 통로관계로 모든 편차(drift or offset)를 보정하는 것이 바람직하다. 제1도의 펄스회로(77)는 증폭기(44)를 통해 펄스 진폭분석기(68)에 연결되어 있어서 도선(79)을 통해 프로그래머(46)로 부터의 명령신호를 받아들임과 동시에 낮은 진폭의 펄스와 높은 진폭의 펄스를 교대로 전달한다.

이때 낮은 진폭가 높은 진폭의 비율은 광범위한 온도범위에 걸쳐 항상 일정하다. 분석기에 전달되는 펄스는 징크 65펄스의 전달과 동일한 위상으로 공지의 방법에 의하여 전달할 수가 있다. 예를 들면 분석기내의 분류기는 제4도의 제1과 제3의 31τ주기에 묘사한 바와 같이 교호하는 31τ주기의 안정화 기간중에 징크 65펄스와 나머지 31τ주기들중의 각 안정화 기간중에 전달되는 낮고 높은 펄스를 받아들이게끔 조절할 수 있다.

제4도는 제2의 31τ주기중에 나타나는 높은 진폭 펄스의 송신과 제4의 31τ주기중에 나타나는 낮은 진폭펄스의 송신을 설명한 것이다.

통로위치는 결정된 분석기(68), 즉 징크65정점을 위치시키는데 사용된 장치와 형성된 통로위치의 비율에 의하여 각각의 낮고 높은 진폭 펄스를 지시한다. 펄스를 분간하는 분석기(68)의 펄스-분류회로가 펄스진폭 통로관계를 가진 편차에 의하여 감응되기 때문에 통로위치를 지시하는 통로위치의 비율은 이러한 편차에 의하여 영향을 받는다. 다소나마 상응하는 편차를 배제하기 위하여 이들 비율과 펄스 회로출력의 비율을 비교하였을때 이들 두비율사이가 검지되면 오차 신호가 발생되므로 정확한 펄스 높이/통로관계로 복원 된다. 이러한 조작은 펄스 진폭 분석기의 분류기 0점(Zero discriminator level)을 적당히 조절함으로서 편리하게 수행될 수 있다.

별개의 방법으로서 탁월한 제2감마선 정점을 상술한 펄스회로 대신에 징크 65정점 또는 그외의 에너지 정점과 함께 사용할 수도 있다. 제2정점을 에너지 면에서 제1정점으로 부터 격리시킬 필요가 있으며 제2정점은 분석되는 에너지 범위아래 이내 또는 위로할 수 있다. 예를 들면 0.51Mev정점을 가진 징크 65로 사용할 수도 있고, 징크 65대신에 1.38Mev와 2.76Mev감마 정점을 가진 소디움 24를 사용할 수도 있다. 이외에도 이러한 목적으로 저 에너지 자연방출기와 함께 6.1Mev에서 산소의 포획 감마 정점을 사용할 수도 있다. 제2정점의 통로위치는 1.11Mev정점을 가진 징크 65와 두 개의 통로위치 비율을 결정할 때와 같은 방법으로 결정된다.

이들 비율은 문제의 두 에너지 정점의 보정된 통로비율과 비교 되며 검지된 비율과 고정된 비율사이의 불균형으로 인하여 오차 신호가 전개된다. 펄스 장치에서 처럼 이러한 오차 신호는 편차 생성오차를 제거하기 위하여 펄스 진폭 분석기(68)의 0점 분류기로 송신된다.

전술한 1.5-7.5Mev 범위의 경우에 6.1Mev산소 포획 감마 정점처럼 만일 선택된 보정 에너지중의 하나(또는 둘다)가 분석된 에너지 범위내로 들어오면 이것은 물론 분광분석 검지기간(106A-106F) 동안에 검지된 감마선으로 인해 발생된 결과이다. 그러므로 만일 분석을 모란등의 미국특허 제3,521,064호에 기술한 스펙트럼 대조법에 의해 성취되게 하려면 이를 고려해야 한다.

이것은 비교되는 검지-스펙트럼과 표준-스펙트럼을 만드는데 사용한 방출기와 동일한 방출기를 사용하여 얻은 포획 감마선 스펙트럼을 포함시킴으로서 달성된다.

검지된 포획 감마선의 분석과 분광분석 출력을 좀더 관찰하여 보면 이들은 컴퓨터(82)에 의해 전개되고, 이 컴퓨터는 모란의 특허 제3,521,064호에 기재된 특정 컴퓨터(39)와 동일한 역할을 한다. 다시말해서 컴퓨터는 ＂최소면적 일치법＂에 의해 검지된 지층의 포획 감마선 스펙트럼의 대소와 표준 혼성 스펙트럼의 대소를 아주 유사한 합치점이 얻어지도록 여러개소의 에너지 지점 즉, 에너지 준위에서 비교하고 이 결과를 구성 성분비로 유도 지시함으로서 미지의 지층조성을 결정한다. 혼성 스펙트럼내에 함유된 특수 구성물질의 선택인자, 각개의 구성 스펙트럼의 측정방법, 혼성 스펙트럼의 구성, 검출된 스펙트럼과 혼성표준 스펙트럼 사이의 ＂최적일치＂조건을 결정하기 위한 ＂최소면적＂결정기준의 적용 및 지층내의 함유된 가상된 구성물질의 미지의 비율(Wi)에 관한 정보를 구하기 위한 모란등에 의한 방법은 미국특허 제3,521,064호에 상세히 기술되어 있으므로 본 명세서에서는 상술하지 않았지만 참고적으로 약간만 서술하였다.

간단히 말해서 모란등에 의하면, 지층은 가상적인 구성물질이나 원소, 즉 수소, 염소, 규소, 칼슘, 철 및 산소의 원소수 n보다 적은 원소수로 구성되어 있다고 가정하였기 때문에 검지된 지층 스펙트럼과 혼성표준 스펙트럼의 대조는 이들 원소(산소의 2차 활성화 감마선 트럼을 사용하는 것이좋음)의 각개의 포획감마선 스펙트럼으로 달성된다. 검지된 감마선 스펙트럼내의 선택된 수의 에너지 준위에서 감마선 계수진폭의 함수 GK를 각개의 기지(알려진) 스펙트럼으로 미리 결정하고, 모란등에 의해 제시된 바와 같이 컴퓨터(82)로 미리 조정한 진폭계수(

ik)와 결합시킴으로서 선형 방정식(3a-3n)이 컴퓨터에 의하여 해결된다.

방정식(3a-3n)의 수가 지층내에 함유된 가상적인 구성물질의 수n와 같기 때문에 컴퓨터(82)는 모든 미지 구성물의 비율(Wi), 즉 구성성분요소를 자동적으로 전개한다. 이러한 비율(Wi)의 요소가 혼성 표준 스펙트럼에 대한 개별적인 구성물질의 특성치이므로 이들은 지층내에 함유된 개별적인 구성물질의 특성치와 마찬가지가 된다. n개의 구성물질중 각각에 대한 특성치는 시추공구 깊이의 함수로서 도선(84c)을 통해 전자 테이프레코더(86)에 기루된다.

모란등에 의해 미국특허 제3,521,064호에 기술된 바와 같이, 컴퓨터(82)는 지층의 기지성분의 지시를 유도하기 위하여 선택된 구성성분인자(Wi)간의 비율을 형성토록 배열시킬 수 있다. 예를 들면 염분, 다공성, 암석특성, 혈암성 및 수분 포화도와 같은 지층의 성질을 나타내는 분광분석 출력은 컴퓨터(82)에 의해 발생되어 변환회로(88)와 가시기록기(90)에 전달되고 또한 도선(84D-84H)를 통해 테이프레코더(86)에 전달된다. 필요에 따라서는 그외의 지층성질의 지시를 전개할 수도 있다.

염분을 표시하는데 유용한 도해비(圖解比)는 WC1/WH, 즉 수소의 무계요소에 대한 염소의 무계요소에 대한 염소의 무계요소이다. 그러므로 이들 비의 수치는 염분 지시도수로서 기록된다. 이러한 지시도수는 기존 염분을 가진 지층내에 전개된 보정곡선과 관련시켜 계량(計量)화할 수가 있다. 경우에 따라서는 이러한 관련작업을 컴퓨터(82)에 의하거나 또는 적당한 전환요소를 도입하여 비율 지시도수 대신에 계량치를 직접 기록함으로서 레코더(90)내에서 수행되게 할수가 있다.

다공성을 나타내는 비율은 예컨대, aWH/(bWsi+CWca)인데, Wsi와 Wca는 각각 규소와 칼슘의 이론적인 구성요소이다. 상수 a,b 및 c(후술하는 d도 마찬가지임)는 미시적(微視的) 단면과 감마선/중성자 상호작용치에 따라 달라지는 유사한 중성자속(neutron flux)의 개별적인 원소의 각종 감마선 발광강도를 셈한 것으로서 그들이 나타내는 각개의 항 즉, bWsi+CWca는 지층내에 함유된 특정원소를 투시하는한, 항상 일정한 것으로 간주된다. 일반적으로 다공성비는 모체물질의 양에 대한 지층내에 함유된 유체의 양을 표시하는데 이러한 목적으로 다른 형태의 비(比)를 사용할 수도 있다.

예를 들면 상술한 비율대신에 a(bWH+CWC1)/(dWsi+eWca) 형태의 비를 사용 할 수도 있다. 후자의 비는 전자에 비하여 지층 유체의 주성분인 수소와 염소를 두개 더 계산하였기 때문에 실질적으로 더욱 정확하다. 그렇지만 전자의 비는 염분(염소)의 변화에 따라 수분내의 수소분율이 급격히 변화하지 않기 때문에 근사치에 불과하다. 다공성의 계량화방법과 마찬가지로 상술한 염분 자료를 보정곡선을 사용하여 유도할 수 있으며, 이들 유도값은 컴퓨터(82)나 레코더(90)에 용이하게 도입시킬 수가 있다.

지층의 암석특성을 탐색하기 위하여 지층을 석회암이나 사암으로 표시하는데 두개의 비율중의 하나 또는 전부를 선택할 수 있다. 그러므로 석회암을 표시하는 적당한 비는 Wsi/Wca이고, 사암의 지시도수는 Wsi/(aWsi+bWsi)를 사용하여 얻는다. 암석특성 지시도수로 사용할 수 있는 비는 Wsi/(aWsi+bWca+CWu)인데 식중 Wu는 계수에 고려되는 산소, 철과 같은 하나 이상의 그외의 원소의 특성치이다. 물론 사암과 석회암이외에도 암석특성의 지시도수를 제공할 수도 있다.

혈암성을 측정하기 위하여는 WFe/Wsi의 비를 사용하는데, 식중 WFe는 철의 성분요소이다. WFe/Wca는 비-혈암지층보다는 혈암지층에서 많은 수치를 나타낸다. 혈암성 지시도수는 상기의 비중 하나를 직점 관찰함으로서 얻을수 있다. 이외에도 혈암성 측정용으로 WFe/(aWsi+bWca)를 사용할 수도 있다.

이러한 비율은 혈암모체에는 규소나 칼슘이 함유된 것으로 간주되기 때문에 WFe/Wsi 또는 WFe/Wca을 사용하는 것이 편리하다.

일반적으로 τ-Σ대수의 해석은 암석특성, 혈암성, 다공성 및 염분과 같은 지층의 성상에 대한 정확한 자료의 존재에 의하여 정성 및 정량적으로 보강된다. 그러므로 본 발명에 따라서 전술한 특성치와 분광석 출력을 함께 기록하면 붕괴시간 기록으로 부터 얻을수 있는 지층내의 탄화수소 함량과 채굴성에 대한 정보가 더욱 정확해진다.

이외에도 본 발명의 특징은 지금까지 난제(難題)로 대두되었던 조건들이 현실화 되었다는 점이다. 다시 말해서, 혈암성과 높은 염분을 가진 모래와 같이 서로 아주 이질적인 성질의 지층이라도 τ와 Σ의 값이 비슷하므로 τ-Σ기록 자체만으로는 구별하기가 어려웠으나 본 발명의 염분성 및 혈암성 지시도수에 의하여 제공된 부수적인 정보로 말미암아 이러한 지층을 용이하게 구별할 수 있게 되었다. 본 발명의 또다른 특징은 열에 의한 중성자 붕괴시간 기록이 불확실한 경우에도 저-염분 지층(20,000ppm의 염분을 가진지층)의 탐사가 가능하다는 점이다.

여기서, 염분에 대한 분광분석치 즉 WC1/WH의 비는 더욱 정학한염분 측정치를 제공한다. 이러한 측정치는 공지의 방법으로 수분 포화율을 얻기 위하여 붕괴시간 기록으로 부터 유도한 염분 유도값 대신에 사용할 수도 있다.

분광분석에 의한 염분 측정치를 사용한 수분 포화도의 계산은 컴퓨터(82)에서 진행되며 이렇게 하여 얻은 수분 포화도는 제1도에 도시한 바와 같이 레코더(86)과 (90)에 의하여 점철된다.

비록, 본 발명을 본 명세서에서는 열에 의한 중성자 포획 감마선 에너지 스펙트럼의 항목만을 다루었지만 그외의 중성자 상호작용으로 부터 얻은 감마선 스펙트럼을 동일한 방법으로 분석할 수 있음을 주지하기 바란다. 이러한 그외의 스펙트럼의 예는 고속 중성자의 비탄성 분산에 의해 생성되는 스펙트럼과 활성 감마선의 특성치이다. 비탄성 분산 스펙트럼의 경우, 분광분석 게이팅 회로는 클라크 구드만에 의해 1961년 7월 4일 등록된 미국특허 제2,991,364호에 기술된 바와 같이 중성자 펄스의 발생시 또는 발생직후의 적당한 시간동안 프로그래머(46)로 부터 방출된 신호에 의하여 동작시킬 수가 있다.

필요에 따라서는 제3도의 전체 31τ조작순서를 20τ포획 감마선 분광분석 부주기를 생략하고 다만 10τ열에 의한 붕괴시간 부주기만이 남아있도록 변화시킬 수가 있다. 이것은 다음에 계속되는 비탄성 분산 감마선 검지기 간중의 잔류포획 감마선의 진폭이감소되도록 중성자 펄스들 사이에 포획 감마선의 부수적인 붕괴시간이 허용되게 한다.

비탄성 감마선 스펙트럼의 분석으로부터 전개되는 분광분석 출력에 탄소와 산소의 출력을 포함시키는 것이 좋다. 이러한 출력은 전술한 구드만의 특허에서 처럼 탄소와 산소의 비탄성 감마 정점 즉, 탄소용으로 4.4Mev 산소용으로 6.9와 7.1Mev의 출력을 통과시킴으로써 얻을 수가 있다. 그렇지만 비탄성 분산감마스 펙트럼의 분석은 모란등에 의한 스펙트럼 대조법을 사용하여 유도하는 것이 좋다. 그렇게 하면 독립적인 구성 스펙트럼이 비탄성 분산 감마 분석용으로 선택된다. 이러한 스펙트럼의 예는 탄소, 규소, 칼슘 및 수소의 스펙트럼이다.

잔류 포획 감마선 또는 그외의 보정 감마선 조사에 의한 구성 스펙트럼을 포함시키는 것이 바람직할 수도 있다. 어떻든 상술한 스펙트럼-대조법은 칼슘, 탄소, 규소 및 수소의 성분요소 Wi와 이들의 적당한 비율을 포함하는 소기의 분광분석 출력을 유도하는데 동반된다. 만일 열에 의한 중성자 포획 감마선 분광분석 출력과 비탄성 분산 감마선 분광분석 출력 두개다 필요하다면 다른 형태의 스펙트럼을 동시에 시추공구의 동일통과시에 검지 분석할 수도 있고 개별적으로 즉 시추공구의 서로 다른 통과시에 검지분석할 수도 있다.

동시적인 검지와 분석은 분류기와 펄스 진폭 분석기(68)의 펄스 분류 회로사이에 삽입된 또다른 선형 게이팅회로(도면에 없음)를 사용함으로서 달성할 수 있는데, 이때의 펄스 진폭 분석기(68)는 비탄성분산 감마선에 해당하는 각개의 중성자 펄스 또는 선택된 중성자 펄스로 부터 발생한 검지기 신호의 시간분포부분을 통과시키기 위하여 프로그래머(46)에서 호출되는 신호로 작동된다.

이때, 컴퓨터(82)는 구성 스펙트럼 계수(

ik)의 적당한 조를 각개의 검지된 비탄성 분산 스펙트럼과 포획 감마선 스펙트럼에 도입시킬 수 있도록 정렬된다. 개개의 통과 공정은 적당한 검지기 게이팅 순서를 선택하고, 각각의 검지된 감마선 에너지 스펙트럼 분석용의 적절한 구성 스펙트럼 계수를 도입하기 위하여 컴퓨터(82)를 지지하는 스위칭회로에 의하여 용이하게 시행되게 할수가 있다.

필요에 따라서는 표준 혼성 스펙트럼에 제공되어야만 하는 개별적인 스펙트럼의 수를 검지 스펙트럼과 혼성 스펙트럼을 대조하기 전에 검지 스펙트럼으로 부터 기지의 개별적인 스펙트럼을 빼줌으로서 감소시킬수도 있다. 예를 들면, 산소 또는 옥소의 감마선 스펙트럼, 그렇지 않으면 이들 양자의 스펙트럼 분광기간동안에 발생된 포획 감마선 스펙트럼으로 부터 빼줄수가 있다. 다시 산소와 같은 진수명의 방사기와 보정원, 자연 감마선 조사, 시추공내의 방사성 염류와 같은 그외의 보정원으로 부터 얻은 검지 감마선 스펙트럼에 대한 분담치는 분광주기후의 시간주기 동안에 이러한 분담치를 검출하여 얻은 보정 스펙트럼을 검출된 분광분석 스펙트럼에서 빼줌으로서 계수할 수가 있다.

예를 들면, 제3도의 포획 감마선 측정주기에 있어서, 보정 스펙트럼을 24τ-31τ안정화 기간중에 측정한후 이들 스펙트럼을 전술한 분광기간(106A-106E)중에 전개된 포획 감마선 스펙트럼으로부터 비례 기준치로 빼주면 된다. 이러한 작업은 컴퓨터(82)로 용이하게 달성시킬 수 있다. 이렇게 하여 얻은 배후-보정스펙트럼은 소기의 분광 출력을 전개하는데 사용된다.

본 발명을 실시 배양과 함께 서슬하였으나 본분야에 종사한 사람이면 본 발명의 정신에 어긋남이 없이 많은 변형을 할수 있으리라 믿는다. 예를 들면 사용한 특정 중성자 공급원은 고정 펄스 기간과 반복율을 갖게할 수 있으며 중성자 펄스에 비례하는 검지기간의 발생시간을 지층의 중성자 특성의 측정치에 따라서 자동아닌 방법으로 고정시키거나 조절할 수가 있다.

Claims (1)

1. 본문에 상술하고 도면에 도시한 바와 같이, 지층에 첫번째 중성자 펄스를 조사시키고, 이 첫번째 중성자 펄스와 지층의 원자핵들간의 상호작용에 의해 발생된 감마선 에너지의 대표치를 구하고, 이 중성자 펄스를 지층에 조사시킨 후 제1검지기간 동안에 구한 이들 중성자 펄스에 의한 대표치들에 일치하는 감마선에너지 스펙트럼 중 최소한 일부를 분석하고, 제1검지기간의 시간은 지층의 중성자 특성의 시간에 따른 측정치의 함수로서 제어함을 특징으로 하는, 시추공둘레의 지층의 중성자 특성의 시간에 따른 측정치를 구하는 것으로 된 지층 탐사방법.

Images