NO144308B - Fremgangsmaate og apparat for logging i grunnformasjoner - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår radioaktiv borehullslogging og er mer spesielt rettet mot en forbedret fremgangsmåte og et apparat for å kunne skjelne mellom oljeførende soner og saltvannførende soner i undergrunnsformasjoner som omgir et borehull, og for videre utnyttelse ved bestemmelse av oljemetningen i en identifisert olje-førende sone.

Ved neutron/neutron-logging brukes en kilde for stasjonær primærstråling som bestråler de grunnformasjoner som omgir borehullet, med neutroner. Den resulterende sekundære stråling kan måles ved hjelp av detektorer som har aksiell avstand fra denne kilden i borehullet. Den resulterende sekundære stråling omfatter epitermiske neutroner, termiske neutroner og gammastråler efter innfangning av termiske neutroner. For en punktkilde i et uendelig homogent medium kan denne sekundære stråling presenteres som følger:

hvor

$t er den termiske neutronfluks,

r er den radielle avstand målt fra kilden,

Q er styrken av neutron-punktkilden,

D er diffusjonskoeffisienten for termiske neutroner, L£ er de epitermiske neutroners parameter (retardasjonslengden)

og

Lt er de termiske neutroners parameter (diffusjonslengde).

De epitermiske neutroners parameter Lg for grunnformasjonen bestemmes i hovedsaken av konsentrasjonen av hydrogen i formasjonen,

og hydrogeninnholdet står i forhold til formasjonens porøsitet. Imidlertid har nærvær av olje eller saltvann i porerommene i formasjonen liten eller ingen innvirkning på porøsiteten. Følgelig har nærvær av olje eller saltvann i formasjonen liten eller ingen innvirkning på antallet av epitermiske neutroner som returnerer til borehullet som sekundær stråling.

De termiske neutroners parameter Lfc i grunnformasjonen blir derimot påvirket av nærvær av olje eller saltvann og blir betydelig redusert når porerommene i formasjonen inneholder saltvann isteden-for olje. Det klor som er tilstede i saltvannet har et stort inn-fangningstverrsnitt for termiske neutroner og reduserer følgelig det antall termiske neutroner som returnerer til borehullet som sekundær stråling. Samtidig vil innfangningen av termiske neutroner på grunn av klor, bevirke en økning i mengden av gammastråler som følge av termisk neutroninnfangning, som returnerer til borehullet som sekundær-stråling.

U.S.-patent 3.567.936 angår et nøytronloggeapparat som skal brukes for måling av porøsitet. Det er der vist to utførelser av verktøyet, hvorav det ene har tre detektorer og det annet fire, idet utførelsen med fire detektorer åpenbart ligger nærmest foreliggende oppfinnelse, skal bare denne omtales.

De fire detektorer i den kjente utførelse er anordnet i to par. Ett par har forholdsvis lang avstand fra kilden og det annet par har forholdsvis kort avstand fra kilden. Detektorene er forbundet for å danne forholdet mellom utgangene fra 1) kortdistanseparet og 2) langdistanseparet. Forholdet mellom utgangene fra kortdistanseparet er et mål for borehull-innvirkningen mens forholdet mellom langdistanseparet er et mål på formasjonsporøsiteten. De to forhold blir kom-binert i en porøsitetsfunksjons-dannelseskrets som danner en korrigert indikasjon på formasjonsporøsiteten, dvs. formasjonsporøsiteten korrigert med hensyn til borehullsdiameteren. Funksjonsdanneren ar-beider ved å operere på de to forhold i overensstemmelse med forut-bestemte empiriske data.

Nå er forholdet ifølge kbrtdistansedetektorene i virkeligheten et mål på både' epitermisk og termisk nøytronpopulasjon, og derfor representativ for porøsitet og absorpsjonstverrsnitt. Lang-distansedetektorene gir et mål på epitermisk populasjon og derfor et forhold som er et mål på porøsiteten (se US-patent 3.491.238). Følgelig vil det med hensyn til hva detektorene i virkeligheten detekterer, nemlig epitermiske og termiske nøytroner på den ene side og epitermiske nøytroner på den annen side, foreligge en vesentlig likhet mellom det forannevnte patentskrift og det som her er beskrevet. Forskjellen mellom disse ligger i den bruk som gjøres av utgangene fra de to par detektorer. I US-patentskriftet blir det som tidligere nevnt> foretatt korrigering av data fra det ene par i overensstemmelse med l)data fra det annet par, og 2) for-utbestemte empiriske relasjoner. Ifølge foreliggende oppfinnelse blir det derimot ganske enkelt foretatt bestemmelse av differansen mellom forholdene for å oppnå et annet resultat, nemlig en indikasjon på saltholdigheten. Således er denne oppfinnelse basert på en for-ståelse av at dette resultat kan oppnås på slik måte. Det finnes

't ingen antydning i det forannevnte patentskrift om at saltholdigheten kan bestemmes på denne måte og heller ikke at de to forhold kunne behandles på den her beskrevne måte.

Nærmere bestemt går således denne oppfinnelse ut på en fremgangsmåte for logging i grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull, ved bestråling av grunnformasjonene med en stabil kilde for hurtige nøytroner, hvor det foretas bestemmelse av forholdet mellom den sekundære stråling som representerer hovedsakelig de epitermiske nøytronparametre i grunnformasjonen ved to aksielt adskilte posisjoner i borehullet, og bestemmelse av forholdet mellom den sekundære stråling som representerer både de epitermiske og de termiske nøytronparametre i grunnformasjonen ved to andre aksielt adskilte posisjoner i borehullet, karakterisert ved at saltholdigheten av grunnformasjonen indikeres ved at differansen mellom de to forhold bestemmes.

Ytterligere nye og særegne trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fremgår av patentkravene. Videre omfatter oppfinnelsen et apparat for logging i grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull, for utførelse av ovennevnte fremgangsmåte. Nærmere an-givelser av dette apparat samt de nye og særegne trekk ifølge oppfinnelsen er opptatt i patentkravene.

I det følgende skal oppfinnelsen forklares nærmere med hensyn til tegningen, hvor Fig. 1 illustrerer et borehullapparat for bruk i forbindelse med foreliggende oppfinnelse, og Fig. 2 viser i grafisk form karakteristiske kurver for eksempler på undergrunnsformasjoner som kan forekomme under logging med et apparat som vist på fig. 1.

På fig. 1 er det vist en borehullsonde 10 som har en neutron-kilde 11 for stasjonær bestråling av grunnformasjonene, to adskilte detektorer 12 og 13 for termiske neutroner, og to adskilte detektorer 14 og 15 for epitermiske neutroner. Neutronkilden 11 er fortrinnsvis en Am/Be-kilde av stasjonær type for hurtige neutroner med en gjennomsnittlig energi på omkring 4 : MeV.

Neutrondetektorene 12 og 13 kan være proporsjonale tellere av den

type som er beskrevet i US patent 3.102.198 og fylt med helium-3-gass av 6 atmosfærers trykk. Detektorer av denne type er meget følsomme for termiske neutroner. En skjerm 4 3 beskytter neutrondetektorene 12 og 13 mot direkte neutronstråling fra neutronkilden 11. Neutrondetektorene 14 og 15 for epitermiske neutroner kan være av samme type proporsjonale tellere som detektorene 12 og 13, og med en kadmiumskjerm for å forhindre at termiske neutroner kommer inn i det aktive volum i disse detektorer. En kraftforsyning 16 er plassert i borehullsonden 10 for å levere elektrisk strøm til neutrondetektorene 12 til 15 gjennom en ledning 17. Strøm tilføres kraftforsyningen 16 fra overflaten gjennom ledninger 18. Utgangene av neutrondetektorene

12 til 15 påtrykkes forsterkeren 19 til 22 som på sin side er forbundet med ledninger 23 til 26 i en kabel 47. Ved overflaten er ledningene 23 til 26 forbundet med sleperinger 27 og børster 28 som er koblet til ledninger 29 til 32 som er ført til forsterkere 33

til 36. Utgangene av forsterkerne 33 og 34 påtrykkes tellings- eller intensitetsmålere 37 og 38 for termiske neutroner, mens utgangene av forsterkerne 35 og 36 påtrykkes tellings- eller intensitetsmålere 39 og 40 for epitermiske neutroner.

I

Utgangen av målerne 37 og 38 for termiske neutroner påtrykkes en forholdsdetektor 41, mens utgangene av målerne 39 og 40 for epitermiske neutroner påtrykkes en forholdsdetektor 42. Disse detektorer 41 og 42 kan være av konvensjonell type som beskrevet på sidene 338 og 339 i Electronic Analog Computers, Gravino A Korn og Theresa M. Korn, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York 1956.

Ved å ta forholdet mellom tellehastighetene fra de to detektorer for epitermiske neutroner blir det oppnådd et signal som svarer i hovedsaken til endringer i porøsiteten ip i den gitte formasjon. Ved videre å ta forholdet mellom tellehastighetene fra de to detektorer for termiske neutroner blir det oppnådd et signal som svarer i hovedsaken til endringer både i porøsiteten ip og det makroskopiske absorpsjonstverrsnitt E for den gitte formasjon. Det er funnet at saltholdigheten av væsken i grunnformasjonen påvirker det makroskopiske absorpsjonstverrsnitt av formasjonen, men har ingen virkning på dennes porøsitet. Ved derfor å sammenligne signalene fra det to forholdsdetektorer 41 og 42 blir det oppnådd en indikasjon hver gang det skjer en endring i saltholdigheten av formasjonsvæsken. Når mer spesielt porene i formasjonen inneholder saltvann og ikke olje, øker signalet fra detektoren 41 mens signalet fra detektoren 42 forblir uendret for en gitt formasjonsporøsitet. Denne virkning er illustrert på fig. 2. Tellehastighetsforholdet for epitermiske neutroner er vist ved en streket linje og tellehastighetsforholdet for termiske neutroner er vist som en heltrukken linje. Det fremgår av fig. 2 at forholdet for termiske neutroner øker når formasjonsvæsken går over fra å være olje til å være saltvann, men forholdet for epitermiske neutroner forblir uendret. Størrelsen av differansen mellom de to forhold kan videre sees å øke når formasjonens porøsitet øker, idet fig. 2 illustrerer eksempler på 10%, 20% og 30% porøsitet i en kalkstenformasjon.

Til utgangene av forholdsdetektorene 41 og 42 er det koblet en skriver 44. En slik skriver kan fortrinnsvis være en skriver for kontinuerlige kurver og hvor registreringspapiret fremføres kontinuerlig i korrelasjon med dybden, ved hjelp av en mekanisk forbindelse 45 og et målehjul 46 som samvirker med kabelen 47. Kabelen 47 vikles inn på eller ut fra en trommel 48 som drives av en motor 49

og en mekanisk forbindelse 50 for å bevege borehullsonden gjennom borehullet. Forholdssignalet fra forholdsdetektoren 41 registreres som en kurve 51 og signalet fra detektoren 42 registreres som en kurve 52 når loggesonden beveges kontinuerlig gjennom borehullet.

Ved å registrere utgangen av henholdsvis forholdsdetektoren 41 og detektoren 42 som respektive kontinuerlige kurver 51 og 52

er det lett å observere endringer i differansen mellom størrelsene av signalene fra disse detektorer og derved skjelne oljeførende soner fra saltvannførende soner i de grunnformasjoner som omgir borehullet, da denne differanse er meget større for en saltvannførende . sone enn for en oljeførende sone.

Som innledningsvis omtalt blir signalene fra begge forholdsdetektorer 41 og 42 påtrykket en komparator eller sammenligningsenhet 53 som er kalibrert til å gi et utgangssignal som representerer oljemetning, dvs. den volumandel av væsken i undergrunnsformasjonen som representeres ved olje. Teoretisk kan oljemetningen uttrykkes som følger:

hvor

E representerer makroskopisk absorpsjonstverrsnitt,

S representerer metning (eller volumandel av vedkommende

væske på stedet), og

ip representerer porøsiteten.

Ved å omskrive ligning (2) under hensyntagen til ligningene (3) og (4) kan ol jemetningen SQ^_je representeres som følger:

Av de fem variable størrelser på høyre side av ligning (5)

som er nødvendige for bestemmelsen av oljemetning SQ^je, er de makroskopiske absorps jonstverrsnitt for bergart £bergar.t-) » olje (E ,. ) og vann (E ) kjent fra laboratorieeksperimenter. De

olje ^ vann J ^

øvrige to variable, nemlig porøsitet (tp) og makroskopisk absorps jonstverrsnitt for grunnformasjonen (E£ ), representeres ved

^ J v formasjon ' v

signalene fra forholdsdetektorene 41 og 42. Det vil være klart for fagfolk at sammenligningsenheten 53 kan kalibreres på grunnlag av de eksperimentelt bestemte verdier av makroskopisk absorpsjonstverrsnitt

for bergart, olje og vann slik at det fremkommer et utgangssignal Solje som an<3^- r ol jemetningen i den undergrunnsf ormas jon som logges eller undersøkes.

Fortrinnsvis omfatter sammenligningsenheten 53 i det minste en operasjonsforsterker som påtrykkes signalet fra forholdp-detektoren 41 og signalet fra forholdsdetektoren 42. Det. velges tilbakekoblings- og forspenningsmotstander for kalibrering av utgangssignalet fra operasjonsforsterkeren under hensyntagen til de eksperimentelt bestemte verdier av makroskopisk absorpsjonstverrsnitt for bergart, olje og vann. Ved en konfigurasjon av denne type bestemmer sammenligningsenheten 53 de relative verdier av signalene fra detektorene 41 og 42 og leverer utgangssignalet SQ^je som representerer oljemetning.

I den ovenfor beskrevne, foretrukne utførelse er detektorene 12 og 13 detektorer for termiske neutroner og de anvendes for deteksjon av sekundær stråling som i overveiende grad representerer termiske neutronparametere for den grunnformasjon som undersøkes.

I en alternativ utførelse kan denne samme art av sekundær stråling detekteres ved anvendelse av gammastråle-detektorer som måler gammastråler utsendt av formasjonen som følge av innfangning av termiske neutroner. Det vil derfor være klart at oppfinnelsen slik som definert i patentkravene, omfatter måling av sekundær stråling som representerer i hovedsaken termiske neutronparametere for grunnformasjonen, enten ved hjelp av deteksjon av termiske neutroner eller av gammastråler som skyldes innfangning av termiske neutroner.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for logging i grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull, ved bestråling av grunnformasjonene med en stabil kilde for hurtige nøytroner, hvor det foretas bestemmelse av forholdet mellom den sekundære stråling som representerer hovedsakelig de epitermiske nøytronparametre i grunnformasjonen ved to aksielt adskilte posisjoner i borehullet, og bestemmelse av forholdet mellom den sekundære stråling som representerer både de epitermiske og de termiske nøytronparametre i grunnformasjonen ved to andre aksielt adskilte posisjoner i borehullet, karakterisert ved at saltholdigheten av grunnformasjonen indikeres ved at differansen mellom de to forhold bestemmes.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved frembringelse av et signal som representerer differansen mellom de to forhold, og korrigering av differansesignalet ved hjelp av kjente faktorer for makroskopiske absorpsjonstverrsnitt for bergart, olje og vann i grunnformasjonen, for derved å frembringe en indikasjon på oljemetningen i en olje-førende sone i den grunnformasjonen som logges.

3. Apparat for logging i grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull, for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende en borehullsonde med en stabil kilde for hurtige nøytroner for bestråling av grunnformasjonene, to termiske detektorer ved adskilte posisjoner fra kilden, to detektorer for epitermiske nøytroner ved adskilte posisjoner fra kilden, og forholdsdetektorer for å frembringe forholdet mellom antall termiske nøytroner som måles av de førstnevnte detektorer og forholdet mellom antallet av epitermiske nøytroner målt av detektorene for epitermiske nøytroner, karakterisert ved en komparator (53) for bestemmelse av differansen mellom de forhold som genereres av de to forholdsdetektorer (41, 42) .

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at anordningen for kombinering av de nevnte forhold omfatter en sammenligningsenhet for dannelse av et signal som representerer differansen mellom de nevnte forhold, og en anordning for korrigering av den nevnte differanse med hensyn til effekter av de makroskopiske absorpsjonstverrsnitt for bergart, olje og vann i formasjonen, hvilket korrigerte signal angir oljemetningen i formasjonen.