NO147009B - Fremgangsmaate og apparat for bestemmelse av en jordformasjons poroesitet i naerheten av et foret broennborehull - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bestemmelse av porøsiteten for jordformasjoner i nærheten av et foret brønnborehull, hvorved det foretas en bestråling av jord-formas jonen i nærheten av det forede brønnborehull, med hurtige neutroner fra en kilde av hurtige neutroner som er ført inn i borehullet, og hvor det foretas en detektering av den epitermiske neutronpopulasjon ved et sted i avstand fra nevnte neutronkilde i borehullet og hvor det dannes et signal som er representativt for dette. Oppfinnelsen vedrører også et apparat for å gjennomføre en slik bestemmelse av porøsiteten.

Under leting etter hydrokarboner under jord-skorpen er en av de parametere som må være kjent om en jord-formas jon, før dens kommersielle potensiale kan beregnes, volumandelen av væskefylte porerom eller porøsiteten, som foreligger rundt bergartpartiklene som danner formasjonen. Det er utviklet flere teknikker for måling av jordformasjoners por-øsitet rundt et borehull. Ved en slik teknikk benyttes en gammastrålekilde og en/flere detektorer for måling av elektron-tettheten i jordformasjonen ved gammastrålespredning. Dette fører til at man kan trekke slutninger om formasjonens porøsitet. Ved en annen teknikk benyttes en akustisk sender og en eller flere akustiske mottakere. Hastigheten av lydens forplantning gjennom formasjonene fra den akustiske sender til mottakerne, måles deretter og denne verdi kan stilles i relasjon til porøs-iteten, idet lyd går fortere i mindre porøse bergarter enn i væskefylte porerom i formasjonen.

En tredje, kjent teknikk, som benyttes til

måling av jordformasjoners porøsitet omfatter en neutronkilde og enten en neutron- eller en gamma-stråledetektor som er føl-som overfor lavenergi- eller termalisert neutrontetthet.

Hydrogen er det virkestoff som hovedsaklig er ansvarlig for

å forsinke neutroner som er sendt ut i en jordformasjon. I

en formasjon som inneholder større mengder hydrogen enn i formasjoner med ringe porøsitet vil neutronfordelingen derfor avta hurtigere og bindes i formasjonsområdet nær kilden.

Te1lenastigheten i fjerne detektorer som er følsomme overfor termisk neutron og anordnet flere tommer eller lengre fra kilden, vil derfor undertrykkes. I formasjoner med lavere porøsitet, som inneholder lite hydrogen, er neutronene fra kilden i stand til å trenge lengre fram. Dermed økes tellehastignetene i detektorene. Denne adferd kan direkte kvantifiseres til måling av porøsiteten via velkjente metoder.

Alle disse kommersielle anvendte metoder har generelt ikke vist seg så nøyaktig som ønskelig på grunn av diameterujevnheter i borehullveggen, variasjoner i forskjellige borehullvæskers egenskaper, den ujevne sementering som omgir brønnrøret i en foret brønnboring og egenska<p>ene av forskjellige typer av stålbrønnrør og formasjonsbergarter som omgir borehullet. Fordelingen av termisk neutron rundt en kilde-detektor-par-sonde som tidligere foreslått kan f.eks. påvirkes av klorinn-holdet i borehullvæsken. På lignende måte kan bergarters egenskaper nær borehullet, f.eks. borinnholdet i disse formasjoner påvirke målingen av termisk neutronpopulasjon. I stedet for å stole på en måling av den termiske neutronpopulasjon, omfatter foreliggende oppfinnelse imidlertid neutronmåling av formasjons-porøsiteten ved bruk av et mål av den epitermiske neutron<p>op-ulasjon ved en detektor og hurtig-neutronpopulasjonen ved en andre detektor med omtrent samme avstand fra en neutronkilde. Populasjonen av hurtige neutroner kan registreres direkte ved

en hurtig-neutron-detektor eller indirekte ved hjelp av en uelastisk gammastråledetektor. Populasjonen av hurtige neutroner kan bakgrunnskorrigeres. Spesielle detektorer og andre organer kan benyttes for effektivt å fraskille deteksjon av termiske neutroner eller den resulterende innfangingsgammastråling som foreslått ved kjente måleteknikker for termisk neutronpop-ulas jon .

Oppfinnelsen går således ut på å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte og apparat for bestemmelse av porøs-iteten av jordformasjoner i nærheten av et foret brønnhull.

Hensikten med oppfinnelsen oppnås ved en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art, som er kjennetegnet ved dannelsen av et signal som er representativt for den hurtige neutronpopulasjon som foreligger i brønnhullet ved et sted (D^) i borehullet i avstand fra nevnte hurtige neutronkilde, som i og for seg kjent, og kombinasjon 29, 60, 79 av signalene som er representative for nevnte hurtige og epitermiske neutronpopulasjoner for å utlede et målesignal som funksjo-neit er avhengig av porøsiteten for jordformasjonen i nærheten av borehullet.

Ytterligere trekk ved fremgangsmåten er angitt kravene.

Fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen gir forbedrede resultater i forhold til kjente anordninger, idet det oppnås mindre følsomhet overfor forstyrrende para-metre i omgivelsene ved bruk av foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for bruk ved bestemmelse av porøsiteten. De kjennetegnende trekk ved et slikt apparat fremgår av apparatkravene.

Det skal nå beskrives noen utførelseseksempler av oppfinnelsen under henvisning til tegningen, hvor

figur 1 er en skjematisk gjengivelse av et brønnmålesystem ifølge foreliggende oppfinnelse med to detektorer anordnet på tilnærmet samme avstand og på samme side av neutronkilden,

figur 2 viser et lignende system som figur 1, men omfatter to detektorer med samme avstand fra neutronkilden anordnet på motstående sider av denne kilde,

figur 3 illustrerer variasjonen av neutron-fluksforholdet mellom en hurtig-neutron-detektor og en epitermisk neutron-detektor på omtrent samme avstand fra en neutronkilde for flere formasjoner med forskjellig porøsitet i nærheten av et borehull,

figurene 4 og 5 illustrerer neutronenergispektret på forskjellige avstander fra en neutronkilde i jordformasjoner med forskjellig porøsitet,

figur 6 er en skjematisk gjengivelse av et brønnmålesystem med pulserende neutroner ifølge foreliggende oppfinnelse med to detektorer anordnet omtrent på samme avstand fra en pulserende neutronkilde,

figur 7 er et tidsskjema for systemet ifølge figur 6,

figur 8 illustrerer variasjonen i neutron-fluksforholdet mellom en hurtig neutrondetektor og en epitermisk neutrondetektor anordnet på omtrent samme avstand fra en 14 MEV neutronkilde for sandstens- og kalkstensformasjoner med forskjellig porøsitet,

figur 9 illustrerer forholdet mellom epitermisk neutronpopulasjon på to forskjellige avstander fra en 14 MEV neutronkilde for sandstens- og kalkstensformasjoner med forskjellig porøsitet og

figur 10 illustrerer forholdet mellom hurtig neutronpopulasjon og epitermisk neutronpopulasjon ved flere sandstens- og kalkstensformasjoner med forskjellig porøsitet som en funksjon av detektoravstanden fra en 14 MEV neutronkilde.

Under henvisning først til figur 1, sees en forenklet, skjematisk funksjonsgjengivelse i form av et blokk-skjema av et brønnmåleapparat ifølge foreliggende oppfinnelse.

Et borehull 11 som forløper gjennom jordformasjoner, er foret

med et stål-brønnrør 12 og fylt med borevæske 14. Stålbrønn-røret 12 kan være sementert på plass med et sementsjikt 13 som også skal hindre væskekommunikasjon mellom nærliggende produk-sjonsformas joner i jorden.

Nedre del av måleapparatet omfatter hovedsaklig en avlang, væsketett, hul sonde 15, som under måling føres i lengderetning gjennom brønnrøret 12 og er dimensjonert for dette formål. Overflateinstrumenteringen, som vil bli omtalt mer detaljert senere, er vist og skal bearbeide og registrere elektriske målinger avgitt fra sonden 15. En brønnmålekabel 16, som er ført over en skive 17, avstøtter sonden 15, i borehullet 11 og danner også en kommunikasjonsbane for elektriske signaler mellom overflateutstyret og sonden 15. Kabelen 16

kan være en konvensjonell, forsterket kabel og kan ha en eller flere elektriske ledere for sending av signaler mellom sonden 15 og overflateenheten.

I figur 1 sees at sonden 15 i nedre ende inneholder en neutronkilde 18. Denne neutronkilde kan omfatte en typisk kontinuerlig, kjemisk neutronkilde, som aktinium-beryllium, californium 252 eller americum-beryllium, som kan avgi ca. 10+ 8 neutroner i sekundet. Alternativt kan det benyttes en kjent deuterium-tritium kilde av akseleratortypen som produserer i det vesentlige monoenergetiske 14 MEV neutroner for kontinuerlig drift.

Strålingsdetektorer 20 og 22 er anordnet i sonden 15 og er adskilt fra neutronkilden 18 ved et neutron-skjermingsmateriale 32. Neutronskjermen 32 kan omfatte et valg-fritt, sterkt hydrogenholdig materiale som effektivt skjermer detektorene 20 og 22 fra direkte neutronbestråling fra neutronkilden 18. Ethvert sterkt hydrogenholdig materiale, som para-fin eller hydrokarbonpolymerplast kan benyttes for dette formål. Mens detektorene 20 og 22 er vist på noen avstand fra hverandre

i figur 1, skal det bemerkes at de to detektorene 20, 22 ifølge oppfinnelsen anordnet på omtrent samme avstand fra neutronkilden. En alternativ anordning, hvor begge detektorer kan ha nøyaktig samme avstand fra kilden skal omtales i forbindelse med figur 2.

Detektoren 20 i figur 1 er en hurtig-neutron-detektor. Denne detektor kan omfatte en scintillasjonsdetektor, som er følsom overfor interaksjonen mellom scintillatormaterialet og hurtige neutroner. En slik detektor kan f.eks. omfatte en stilbendetektor som er følsom overfor hurtig-neutroninteraksjoner. Slike scintillasjonsdetektorer kan også være følsomme overfor høy-energi-gammastråling som produseres ved innfangning av neutroner fra neutronkilden i jordformasjoner som omgir borehullet. Men pulsformegenskapene av gammastråleinteraksjoner produsert

ved slike innfangninger kan adskilles fra pulsformsærtrekk i en slik detektor som produseres ved interaksjonen mellom et hurtig neutron og detektormaterialet. En slik stilben-hurtig-neutron-detektor er beskrevet i "A Scintillation Counter With Neutron Gamma Ray Discriminations" av F.D. Brooks, utgitt av Atomic Energy Research Establishment, Harwell, England, 1959

med laboratorieutgivelsesnr. HL. 59/282 (S.c.9).

Den andre detektor 22 som tenkes brukt i forbindelse med foreliggende oppfinnelse er en epitermisk neutron-detektor. Denne detektor som f.eks. kan omfatte en He <3>trykk-detektor er følsom overfor neutroner i det epitermiske energiområde fra ca. 0,178 elektronvolt til ca. 1,46 elektronvolt. Dette står i motsetning til hurtig-neutron-detektoren 20, som

i det vesentlige er følsom overfor hurtige neutroner med energi i området fra ca. 0,2 x 10<+>^ elektronvolt til 12 x 10<+>^ elektronvolt. De to neutrondetektorene 22 og 20 danner således to energibånd eller vinduer, der neutronpopulasjonsenergispekt-rum kan observeres i borehull-målesonden 15. Detektoren 22

for epitermiske neutroner er leiret i et sjikt av hydrogen- - materiale 21 og er omgitt av et forholdsvis tynt, f.eks. 0,508 mm

tykt lag av termisk neutron-absorberende materiale 19, som kadmium e.l. He -detektoren 22 er således skjermet mot gjensidig påvirkning av termaliserte neutroner som følge av kadmiumsjiktets 19 virkning, som med et ekstremt stort termisk neutron innfangnings-tverrsnitt effektivt absorberer alle, eller hovedparten av de termiske neutroner i nærheten av detektoren 22 før disse neutroner kan ramme detektoren og forårsake gjensidig påvirkning med detektoren 22.

I ajle tilfelle danner detektorene 20 og 22 elektriske signalpulser som representerer antallet neutroner som foreligger på stedet i det epitermiske energiområde og i hurtig-neutron-energi-området, som detektorene er følsomme for. De elektriske signalene fra detektoren 20 forsterker i en forsterker 23 og sendes til en multipleplex-blandekrets 25. På lignende måte ledes de elektriske pulser fra den epitermiske detektor 22 til en forsterker 24 og sendes likeledes til blandekretsen 25. De blandede signaler går via kabelens 16 ledere til en demultiplexerkrets 26 på overflaten. Denne krets kan f.eks. skjelne signalene ffra de to detektorene på basis av deres polaritet. Utgangssignaler fra demultiplexer-kretsen 26 omfatter pulssignaler som representerer hurtig-populasjonen i nærheten av detektoren 20 og populasjonen av epitermiske neutroner i nærheten av detektoren 22. Hurtig-neutron-signalpulsene sendes til en pulsteller 27 og epitermisk-neutron-populasjons-signalene sendes til en andre teller 28.

Tellerne 27 og 28 gir således tellingsresultat-er av antallet hurtige neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 20 og antallet epitermiske neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 22 i form av digital-tellinger. Disse tellinger kan avsøkes eller synkroniseres ved en fastsatt hastighet, f.eks. l/sek. til en digital forholdskrets 29. Forholdskretsen 29 danner forholdet mellom tellehastighetene ved de to detektorer, f.eks. forholdet mellom populasjonen av hurtige neutroner som foreligger ved detektoren 20 og populasjonen av epitermiske neutroner som foreligger ved detektoren 22. Det vil være innlysende for fagfolk at det er mulig å korrigere forholdet for å kompensere virkninger som fremkalles av en even-tuell forskjell i de to detektorers avstand fra neutronkilden, slik at det kan oppnås en forholdsmåling som er normalisert til detektorer anordnet på samme avstand fra neutronkilden. På lignende måte er det mulig å korrigere forholdet for normalisering av eventuelle forskjeller i detektorenes ømfintlighet.

Det har vist seg at dette forholdssignal er en funksjon av jordformasjonens porøsitet i nærheten av sonden. Utgangssignalet fra denne forholdsdetektor avgis til en dataindikator 30, som kan være av strimmel- eller filmindikator-typen som benyttes for brønnmålinger. Indikatoren 30 danner en utgangskurve av forholdssignalet på et indikatormedium 31 som en funksjon av borehulldybden. Dybdeinformasjonen oppnås ved mekanisk eller elektrisk kobling av indikatoren 30 til spor-skiven 17 som antydet ved den stiplede strek 33 i figur 1 på konvensjonell måte.

I figur 2 er det vist en andre utførelses-form av et borehull-målesystem ifølge foreliggende oppfinnelse, også her i form av et blokk-skjema. I figur 2 sees et borehull 41, som gjennomtrenger jordformasjoner og er foret med et brønn-rør 42 av stål som er omgitt av et sementhylster 43. Det forede borehull 41 er fylt med borevæske 44. Sonden 45 er vist heng-ende fra en borehull-målekabel 46 i borehullet 41, på lignende måte som illustrert i figur 1. Ved anordningen ifølge figur 2 er sonden 4 5 forsynt med en neutronkilde 48, som kan være av en kontinuerlig, kjemisk type, i likhet med den som er omtalt i forbindelse med figur 1. Sonden er også forsynt med to neu-trondetektorer 50 og 52, som svarer til detektorene ifølge figur 1, men som ved anordningen ifølge figur 2 er vist anordnet ovenfor hhv. nedenfor neutronkilden 48. Detektorene 50 og 52 har samme avstand fra neutronkilden 48. To neutronskjermer 53 og 54 adskiller neutronkilden 48 fra detektorene og hindrer direkte bestråling av detektorene fra neutronkilden, på samme måte som skjermen i figur 1. Detektoren 52 er følsom overfor epitermiske neutroner og kan omfatte en He 3 trykk-detektor, som er omgitt av et neutronmodererende hydrogenmateriale 51 og hvis ytre mantel er omgitt av et termisk neutronabsorberings-sjikt 49, som kadmium e.l. , som angitt i forhindelse med figur 1.

Detektoren 50 i figur 2 kan være en hurtig-neutron-detektor som omfatter en stilben-detektor i likhet med den som er nevnt i forbindelse med figur 1. Utgangssignalene fra detektor 50 for hurtige neutroner forsterkes i en forsterker 55 og avgis som en inngang til en blandekrets 57. Utgangssignalene fra detektoren 52 for epitermisk neutron avgis via en forsterker 56 til motstående inngang av blande-forsterker-drivkretsen 57. Signalene fra de to detektorene kan etter ønske adskilles fra hverandre ved multiplexing eller på basis av deres polaritet, på en kjent måte.

De elektriske utgangssignaler fra blande-driv-kretsen 57 ledes til overflaten via borehull-målekabelen 46 og avgis til en demultiplexerkrets 58, som adskiller signalene i signaler fra hver av detektorene 50 og 52. Signalene som angir neutroner avgis til en teller 64. Signalene som angir epitermiske neutroner avgis til en teller 59. Tellerne 64 og 59 digital-teller antallet hurtige neutroner som foreligger i detektoren 50 og apitermiske neutroner i detektoren 52 og avgir utgangssignaler som kan avsøkes eller synkroniseres til en digitalforholdskrets 60 på ovenfor omtalte måte. Forholds-signalutgangen fra forholdskretsen 60 avgis til en indikator 61, som igjen registrerer denne informasjon som en funksjon av borehulldybden på et registreringsmedium 62. Også her er indikatoren 61 elektrisk eller mekanisk koblet til skiven 47, som gir dybdeinformasjon, slik at disse signaler kan registreres som en funksjon av borehulldybden.

Skjønt det ikke er vist i figur 1 og 2, vil fagfolk forstå at det foreligger konvensjonell, elektrisk for-syning, f.eks. ved overflaten, for levering av driftsspenning til kretskomponentene i sonden 45 hhv. 15 på kjent måte.

I figurene 4 og 5 er grunnlaget for porøsi-tetsmålingene av målesystemet ifølge oppfinnelsen illustrert

Figurene 4 og 5 illustrerer begge neutronenergispektret som en funksjon av avstanden fra en neutronkilde. Disse figurer ble utledet ifølge beregninger som ble teoretisk utført med et monte-carlo-neutrontransport-computerprogram. Figur 4 viser neutronenergispektra for en vannfylt sand med 36% porøsitet ved forskjellige avstanden fra en americium-beryllium-neutronkilde. Figur 5 viser neutron-energispektra ved forskjellige avstariHr- fra samme kilde i en vannfylt sand med 3% porøsitet. Det vil ti... j . -- <c>igurene 4 og 5 at forholdet mellom hurtige neutroner og epitermiske neutroner i energiområdet fra 0.2 x 10<+>^ til 12 x 10<+>^ elektronvolt varierer betydelig som en funk-

sjon av porøsiteten.

Om ønsket, kan det totale telleforhold i hver detektor, integrert over ethvert ønsket energiområde benyttes som en konvensjonell porøsitetsindikator. På lignende måte kan det om ønskes fastsettes en energiterskel for utelukkelse av termiske eller epitermiske neutrontelleverdier som måtte foreligge i hurtig-neutron-detektoren. Som tidligere nevnt,

kan disse tellinger også karakteriseres på basis av deres forskjellige pulsform-karakteristi-ker i stilben-detektoren.

I figur 3 er neutron-fluks-forholdet mellom hurtige neutroner og epitermiske neutroner i de nevnte energi-området inntegnet som en funksjon av avstanden fra kilden, illustrert som en funksjon av flere forskjellige porøsiteter. Det vil fremgå av figur 3 at dette neutronpopulasjonsforhold ved rimelige kilde-detektoravstander på mindre enn 40 til mer enn 80 cm viser en distinkt forskjell, som funksjon av porøsi-teten. Det kan også iakttas at det i området for sterk porøsi-tet, fra 18% til 36%, ved kilde-detektor-avstander fra ca. 40 til 80 cm fremkommer en ganske stor forskjell ved målingen av forholdet mellom hurtig neutron- og epitermisk neutronpopulasjon. Dette er en stor fordel sammenlignet med andre typer av neutron-porøsitets-målinger, som ved bruk av neutronkilder av akseleratortypen og detektorer som er anordnet forholdsvis nær kildene. Slike måleapparater mister sin følsomhet i de høyere porøsitets-områder, som området fra 18 til 36%. Ved måling av bare neutronpopulasjoner ovenfor det termiske energiområde vil oppfinnelsen dessuten forbli mindre følsom overfor formasjons-mineral-effekter enn andre målemetoder, som måler neutronpopulasjonen i det termiske energiområde. Små konsentrasjoner av bor eller andre sterke termiske-neutron-absorbatorer påvirker ikke målingene ifølge foreliggende oppfinnelse.

Ved å anordne kalibreringsdiagrammer, som dia-grammet i figur 3, i lagringsenheten for en liten universal-digitalcomputer, er det også mulig å beregne og registrere porøsiteten direkte som en funksjon av dybden ved bruk av et borehull-målesystem ifølge oppfinnelsens prinsipper. En liten universal-digitalcomputer som Model PDP-11 fra Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts, USA, vil være velegnet for formålet. På grunnlag av foreliggende oppfinnelse vil det også være mulig å programmere en slik liten universal-computer ved bruk av et felles delprogramspråk, som FORTRAN, og konvensjonelle matematiske interpoleringsmetoder, slik at denne porøsitetsberegning blir utført på omtalte måte.

I figur 6 er det vist et forenklet, skjematisk funksjons-skjerna i form av et blokk-skjerna av ytterligere et borehull-måleapparat ifølge foreliggende oppfinnelse, hvor like deler er betegnet med samme henvisningstall som i figur 1. Et borehull 11, som gjennomtrenger jordformasjoner er foret med et brønnrør 12 av stål og fylt med en borevæske 14. Stål-brøhn-røret 12 kan være sementert på plass med et sementsjikt 13, som også hindrer væskekommunikasjon mellom nærliggende produksjons-formas joner i jorden.

Nedre del av måleanordningen består i det vesentlige av en avlang, væsketett, hul sonde 15, som under måling føres i lengderetning gjennom brønnrøret 12 og er dimensjonert for slik passasje. Overflateutstyret, hvis funksjoner vil bli nærmere omtalt nedenfor, er vist for bearbeidelse og registrering av elektriske målinger fra sonden 15. En borehull-målekabel 16, som passerer over en skive 17, avstøtter sonden 15 i borehullet 11 og danner også en kommunikasjonsbane for elektriske signaler mellom overflateinstallasjonen og sonden 15. Kabelen 16 kan være av en konvensjonell, forsterket type og

kan omfatte en eller flere elektriske ledere for signalsending mellom sonden 15 og overflateinstallasjonen.

Sonden 15 omfatter ifølge figur 6 en pulserende neutronkilde 18' i sin nedre ende. Denne neutronkilde kan omfatte et deuterium-tritium akseleratorrør, som kan drives pulserende for å avgi gjentatte pulser eller utbrudd av i det vesentlige monoenergetiske 14 MEV neutroner og er i stand til å produsere i størrelsesorden 10 + 8 neutroner i sekunder. En pulseringskrets 18'A avgir elektriske pulser som er tidsinnstilt som omtalt nedenfor for at neutrongeneratoren 18' gjentatte ganger skal sende ut neutronpulser med ca. 10 mikrosekunders varighet.

Strålingsdetektorer 20 og 22 er anordnet i sonden 15 og adskilt fra neutronkilden 18' ved et neutron-skjerm-ende materiale 32. Neutronskjerm-materialet 32 kan omfatte ethvert sterkt hydrogenholdig materiale som effektivt demper og skjermer detektorene 20 og 22 fra direkte neutronbestråling fra kilden 18. Ethvert hensiktsmessig, sterkt hydrogenholdig materiale, som paraffin eller hydrogen-polymerplast egnet seg for dette formål. Mens de to detektorene 20 og 22 er vist i noen innbyrdes avstand i figur 6, skal det bemerkes at detektorene 20 og 22 i et foretrukket utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse bør befinne seg på tilnærmet samme avstand fra neutronkilden. En alternativ anordning, hvor begge detektorer er anordnet i nøyaktig samme avstand fra kilden vil omfatte en detektor ovenfor og en detektor nedenfor neutronkilden 18 i den ønskede avstand fra kilden.

Detektor 20 i figur 6 er en hurtig-neutron-detektor. Detektoren kan omfatte en detektor av scintillasjonstypen, som er følsom for gjensidig påvirkning mellom scintillatormaterialet og de hurtige neutroner. En slik detektor kan f.eks. omfatte en stilben-detektor, som er følsom for gjensidig påvirkning med hurtige neutroner. Slike scintillasjons-detektorer kan også være følsomme for høyenergi-gammastråling som produseres ved innfangning av neutroner fra neutronkilden i jordformasjoner som omgir borehullet. Men pulsform-karakteri-stikken av gammastråleinteraksjoner produsert ved slik innfangning kan skjelnes fra pulsform-karakteristikkene som dannes i en slik detektor ved interaksjon mellom et hurtig neutron og detektormaterialet. Slike stilben-hurtig neutron-reaktorer er beskrevet i "A SCINTILLATION COUNTER WITH NEUTRON GAMMA RAY DISCRIMINATORS" av F.D. Brooks, utgitt av Atomic Energy Research Establishment, Harwell, England, 1959, med laboratorienr. HL 59/282 (s.c.9).

Den andre detektor 22 som tenkes brukt ved foreliggende oppfinnelse er en epitermisk neutron-detektor. Denne detektor, som f.eks. kan omfatte en He^ trykk-detektor,

er følsom for neutroner i det epitermiske energiområde fra ca. 0,178 elektronvolt til ca. 1,46 elektronvolt. Dette står i motsetning til hurtig-neutron-detektoren 20, som i det vesentlige er følsom overfor hurtige neutroner med energier i området fra ca. 0.2 x 10<+6> elektronvolt til 12 x 10<+6> elektronvolt.

De to neutron-detektorer 22 og 20 danner således to energi-

bånd eller vinduer, hvor neutron-populasjons-energispektret kan observeres av sonden 15. Detektoren 22 for epitermiske neutroner er leiret i et sjikt av hydrogenholdig ..materiale 21

og omgitt av et forholdsvis tynt, f.eks. 0,50 8 mm tykt lag av termisk neutron-absorberende materiale 19, som kadmium el. He 3-detektoren 22 er således skjermet mot gjensidig påvirkning

av termaliserte neutroner som følge av virkningen av kadmiumsjikt-et 19, som med et ekstremt stort neutroninnfangnings-tverrsnitt effektivt absorberer alle eller de fleste termiske neutroner i nærheten av detektoren 22, før disse neutroner kan ramme detektoren og forårsake gjensidig påvirkning med detektoren 22.

I alle tilfelle produserer detektorene 20 og

22 elektriske signalpulser, som representerer antallet neutroner som foreligger i deres område i det epitermiske energiområdet og i hurtig-neutronenergi-området, som disse detektorer er ømfintlige for. De elektriske signalene fra detektoren 20 forsterkes i en forsterker 23 og avgis til en multiplexer-blandekrets 25. På lignende måte ledes de elektriske pulser fra den epitermiske detektor 22 til en forsterker 24 og avgis likeledes til blandekretsen 25. De blandede signaler avgis via kabelens 16 ledere til en demultiplexerkrets 26 på overflaten. Denne krets kan f.eks. skjelne mellom signalene fra de to sonde-detektorer på basis av deres polaritet. Utgangssignaler fra demulti-plexerkretsen 26 omfatter signalpulser som representerer den hurtige neutron-populasjon i nærheten av detektoren 20 og signalpulser som representerer den epitermiske neutronpopulasjon i nærheten av detektoren 22. Hurtig-neutronsignalpulsene sendes til to tidsportkretser 70 og 71. De epitermiske neutronpopula-sjonssignaler sendes til en tredje tidsport 72.

Tidsportene 70, 71 og 72 forsynes med takt-signaler fra en taktkrets 73. En styrekrets 74 i sonden avgir styresignaler til neutrongenerator-pulseringskretsen 18'A, hver gang neutrongeneratorrøret 18' skal sende ut en puls på 14 MEV neutroner med 10 mikrosekunders varighet. Denne pulse opptrer en gang hvert 50. mikrosekund i den utførelsesform av oppfinnelsen som er illustrert i figur 6. Samtidig sendes denne neutrongenerator-utbruddspuls av styrekretsen 74 til en leder i måle-

kabelen 16 for å sendes til overflaten. Demultiplexeren 26

på overflaten fraskiller disse utbruddspulser og avgir en ut-gangspulse som svarer til hver av dem til taktkretsen 73.

Taktkretsen 73 genererer en kondisjonerings-puls umiddelbart etter å ha mottatt generatorutbruddspulsen for taktgivning til porten 70, idet denne pulse er av 10 mikrosekunders varighet. Etter en forsinkelse på 38 mikrosekunder avgir taktkretsen 73 kondisjoneringspulser til takt-portene 71 og 72, hvorved også disse pulser har en varighet på 10 mikrosekunder. Denne taktsekvens er skjematisk illustrert i tidsdiagrammet i figur 7.

Virkningen av denne taktsekvens er at tidsporten 70 (betegnet port 1) tillater passasje av hurtig-neutron-populasjons-tellepulser fra detektoren 20 til en tellekrets 75 bare under neutronutbruddet med 10 mikrosekunders varighet,

som utsendes fra neutrongeneratoren 18' i sonden 15.

På lignende måte tillates tellingene som opptrer i den epitermiske neutrondetektor 22 i sonden 15 å tre inn i en teller 76 via tidsporten 72 (betegnet port 3) under et 10 mikrosekunder langt intervall, som begynner 38 mikrosekunder etter igangsetting av et neutronutbrudd i sonden. På samme måte kan tellinger fra hurtig-neutron-detektoren 20 bare under samme 10 mikro-isekunders-intervall tre inn i en bakgrunns-tellekrets

77 ved overflaten via port 71 (betegnet port 2).

Tellerne 75, 77 og 76 avgir således tellinger av antallet hurtige neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 20, bakgrunnstellinger som følge av innfangning av gammastråler, resulterende fra dvelende termiske neutroner i nærheten av detektoren 20, og epitermiske neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 22 i form av digital-tellinger. En bakgrunnskorrigert telling av den hurtige neutron-populasjon dannes i bakgrunns-korrigeringskretsen 78 ved at bakgrunns-tellingen i telleren 77 trekkes fra tellingen av hurtig-neutron-populasjonen i telleren 75. Ettersom bakgrunnstidsporten 71 aktiviseres like før (2 mikrosekunder) neste neutronpuls, gir dette en god angivelse av bakgrunns-gammastrålingen som følge av dvelende termiske neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 20 fra foregående puls. Enhver respons fra detek-torens 20 side på termiske neutroner er således redusert til og den epitermiske teller 76 kan avsøkes eller synkroniseres med en fastsatt hastighet, f.eks. en gang i sekundet, til en digital forholdskrets 79. Forholdskretsen 79 danner forholdet mellom tellehastighetene ved de to detektorer, f.eks. forholdet mellom hurtig-neutron-populasjonen ved detektoren 20 og epitermisk-neutron-populasjonen ved detektoren 22. Fagfolk vil forstå at det er mulig å korrigere forholdet for å kompensere for effekter fremkalt ved en mulig forskjell i avstanden mellom de to detektorer fra neutronkilden, slik at en forholdsmåling som er normalisert til detektorer anbragt på samme avstand fra neutronkilden, kan oppnås. På lignende måte kan forholdet korrigeres for normalisering av en mulig forskjell i detektorømfintligheten.

Det har vist seg at det her oppnådde forholdssignal er funksjonelt relatert til jordformasjonens porøsitet i nærheten av sonden, som nærmere omtalt nedenfor. Utgangssignalet fra forholdskretsen 79 avgis til en dataindikator 80, som kan være av strimmel- eller filmtypen slik de brukes ved borehullmålinger. Indikatoren 80 gir en utgangskurve av forholdssignalet på et indikatormedium 81 som en funksjon av borehulldybden. Dybdeinformasjonen oppnås ved mekanisk eller elektrisk kobling av indikatoren 80 til skiven 17, som antydet med den stiplede strek 82 i figur 6, på en konvensjonell måte.

Skjønt det ikke er vist i figur 6 og 7, vil fagfolk forstå at en konvensjonell kraftforsyning f.eks. kan anordnes ved overflaten for å levere driftsspenninger for kretskomponentene i sonden 15 på i og for seg kjent måte.

Om ønsket kan den totale tellehastighet i

hver av detektorene integrert over et hvilket som helst ønsket energiområde, også benyttes som en porøsitetsindikator.

Figur 9 illustrerer f.eks. telleforholdet i to epitermisk-energiområde-detektorer på avstander på 40 cm og 75 cm. Mens dette forhold ikke viser den samme linearitet som hurtig-epitermisk forholdsmåling som vist i figur 8, representerer den en forbedring i litologieffekt overfor kjente termisk-neutron-porøsitets-målinger som ble gjort ved bruk av en pulserende 14 MEV neutronkilde. Om ønsket, kan det fastsettes en energiterskel for å utelukke termiske eller epitermiske neutrontellingsforhold som kan foreligge i hurtig-neutrondetektoren. Som tidligere nevnt, kan disse tellinger også fraskilles på basis av deres forskjellige pulsform-karakteristikk i stilben-detektoren.

I figurene 8, 9, 10 er grunnlaget for porøsi-tetsmålingen av utførelsesformen ifølge figurene 6 og 7 illustrert. Figur 8 illustrerer grafisk forholdet mellom hurtig-neutron-populasjon i energiområdet fra 0,2 MEV til 12 MEV og epitermisk-neutronpopulasjon i energiområdet fra 0.178 EV til 1,46 EV ved kilde-detektoravstander på 60 cm fra en 14 MEV deuterium-tritium neutronakselerator. Verdiene av forholdet er vist både for sandstens og kalkstens-mineraleffekten. Det kan sees at det ikke foreligger noen større mineraleffekt i denne måling av porøsiteten og at forholdet varierer nesten lineært over hele porøsitetsskalaen fra 3% til 36%. Dette representerer en dramatisk forbedring sammenlignet med kjente porøsitetsmålinger utført med 14 MEV neutronkilder og detektorer anordnet i kortere avstander enn 60 cm ved systemet ifølge fig. 8. De kjente, målinger led under en ikke-lineær response og manglende ømfintlighet overfor porøsitetsendringer i det høye porøsitetsområde fra 18% til 36% og dessuten av mineraleffekter som følge av måling av termisk neutron-innfangingsreaksjoner.

Figur 10 illustrerer forholdet mellom hurtig neutron- og epitermisk neutronpopulasjon over samme energiområdet som figur 8, men inntegnet som funksjon av kilde-detektor-avstanden fra en 14 MEV deuterium-tritium-akseleratorkilde. Sandstens-og kalkstensmineral-responsen for porøsiteter i området fra 3% til 36% er også vist i figur 10. Det fremgår av figur 10 at det kan oppnås større ømfintlighet av apparatet -ifølge foreliggende oppfinnelse med kilde-detektoravstander i området over 40 cm. Slike avstander foretrekkes for porøsitetsmåleapparater ifølge foreliggende oppfinnelse.

Ved bare å måle neutronpopulasjoner over det termiske energiområde, forblir foreliggende oppfinnelse mindre følsom overfor formasjonsmineraleffekter enn andre målemetoder, som måler neutronpopulasjon i det termiske energiområde. Små konsentrasjoner av bor eller andre sterke termisk neutron-absorbatorer vil ikke ha noen skadelig innvirkning på målingen ifølge oppfinnelsen.

Ved å anbringe kalibreringsdiagrammer, f.eks.

ifølge figurene 8, 9 og 10, i- lagringsenheten for en liten

universaldigital-computer, er det mulig å beregne og registrere porøsiteten av jordformasjoner direkte som en funksjon av dybde, ved bruk av et borehull-målesystem, som illustrert i figur 6. Kalibreringsdiagrammet, som figur 8, kunne f.eks. innføres i lagringsenheten for en computer i tabellform. Neu-tronpopulas jonsmålingene kan tas fra borehull-instrumentet og avgis som inngang til en liten computer, f.eks. Model PDP-11. Det vil også på grunnlag av foreliggende oppfinnelse være mulig å programmere en slik liten universal-digitalcomputer ved bruk av et alminnelig språk, som FORTRAN, og ved konvensjonelle matematiske interpoleringsmetoder å utføre denne porøsitetsberegning ut fra kalibreringsdiagrammene på omtalte måte.

Ytterligere et utførelseseksempel av et borehull-måleapparat ifølge oppfinnelsen skal nå omtales under henvisning til figurene 6-10. Ved ytterligere utførelseseksempel er den første detektor 20 i figur 6, som er en hurtig neutron-detektor av scintillasjonstypen, erstattet av en uelastisk gamma-stråle-spredningsdetektor. Denne detektor kan omfatte en detektor av scintillasjonstypen som er følsom overfor den gjen-sidige virkning mellom scintillasjonsmaterialet og gammastråler som fremkalles av den uelastiske spredning av hurtige neutroner i de materaler som danner jordformasjonene. En slik detektor kunne f.eks. omfatte en thalliumimpregnert natriumjodid-krystall-detektor som er følsom overfor høyenergi-gammastråleinteraksjon. Slike scintillasjonsdetektorer kan også være følsomme overfor høyenergi-gammastråling som fremkalles ved innfangning av neutroner fra neutronkilden i jordformasjoner som omgir borehullet. Men bakgrunns-korrigerings-teknikkene som er omtalt ovenfor i forbindelse med figurene 6 og 7, kan benyttes for korrigering av slike termisk-neutron-innfangningsgammastråler. Denne teknikk baserer seg på fraskilling av de uelastiske spredningsgamma-stråler fra innfangnings-gammastråler ved tidsadskillelse. Dette er mulig, fordi de uelastiske sprednings-gammastråler generelt bare vil eksistere under et neutronutbrudd, mens innfangnings-gammastrålene vil vedvare etter neutronutbruddene og således kan registreres etterpå.

Det skal bemerkes at de elektriske signaler fra uelastisk-gammastrålings-detektorer er like de elektriske signaler fra hurtig-neutron-detektoren 20 og forøvrig be-arbeides av det illustrerte system på samme måte som omtalt i forbindelse med figurene 6-10. De respektive tellere 75, 77 og 76 vil ved dette utførelseseksempel således gi tellinger av antallet uelastiske spredte gammastråler, forårsaket av de hurtige neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 20, bakgrunnstellinger som følge av innfangningsgammastråler som skyldes vedvarende termiske neutroner i nærheten av detektoren 20 og epitermiske neutroner som foreligger i nærheten av detektoren 22, i form av digitale tellinger. Det skal bemerkes at de registrerte uelastiske gammastråler representerer hurtig-neutron-populas j onen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av porøsiteten for jordformasjoner i nærheten av et foret brønnborehull, omfattende: bestråling av jordformasjonen i nærheten av det forede borehull med hurtige neutroner fra en kilde (18, 18') av hurtige neutroner som er ført inn i borehullet, og detektering av den epitermiske neutronpopulasjon ved et sted (D2) i avstand fra nevnte neutronkilde i borehullet og dannelsen av et signal som er representativt for dette, karakterisert ved dannelsen av et signal som er representativt for den hurtige neutronpopulasjon som foreligger i brønnborehullet ved et sted (D^) i borehullet, i avstand fra nevnte hurtige neutronkilde, som i og for seg kjent, og kombinasjon (29, 60, 29) av signalene som er representative for nevnte hurtige og epitermiske neutronpopulasjoner for å utlede et målesignal som funksjonelt er avhengig av porøsiteten for jordformasjonen i nærheten av borehullet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kombinasjonstrinnet utøves ved dannelsen av et forhold mellom signalene for nevnte hurtige neutroner og neynte epitermiske neutroner.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved kalibrering av nevnte forholdssignal i samsvar med et forutbestemt funksjonelt forhold for å utlede et porøsitetssignal som kvantitativt representerer porøsiteten i jordformasjonen i nærheten av borehullet.

4. Apparat for bestemmelse av porøsiteten for jordformasjoner i nærheten av et foret brønnborehull, omfattende : et væsketett, hult trykkmotstandsdyktig legeme (15) som er dimensjonert og tilpasset for passasje gjennom et foret borehull (12) og inneholdende en kontinuerlig kilde (18) av hurtige neutroner og en epitermisk neutrondetektor (D2) som er avstandsplassert i lengderetningen fra kilden, karakterisert ved: en hurtig neutrondetektor (D^) i legemet i avstand i lengderetning fra nevnte kilde, på i og for seg kjent måte, og en innretning for kombinasjon av signalene som er representative for den epitermiske og den hurtige neutronpopulasjon fra de respektive nevnte detektorer for å utlede et målesignal som funksjonsmessig vedrører porøsiteten for jordformasjonen i nærheten av borehullet.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at nevnte detektorer (D^, D^) er avstandsplassert i lengderetning omtrent med samme avstand fra neutronkilden (18) .