NO170044B - Noeytrondetektor og anvendelse av denne til broennlogging - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører radioaktiv brønnlogg-ing og mer spesielt et brønnloggesystem for bestråling av undergrunnsformasjoner som skal undersøkes, med utbrudd av hurtige nøytroner og karakterisering av formasjonen på grunn-lag av desintegrasjonen av den frembragte epitermiske nøytron-populasjon.

Forskjellige nøytronloggeteknikker kan anvendes for å karakterisere undergrunnsformasjoner med hensyn til deres fluidinnhold eller mineralinnhold, litologiske kjennetegn eller porøsitet, eller for å sørge for strategrafisk korrelasjon. Nøytronkilden kan være en stabil kilde eller en pulset kilde. Nøytron-porøsitetslogging kan f.eks. utføres ved å bruke en stabil nøytronkilde for å bombardere formasjonen med hurtige nøytroner. Formasjonens porøsitet kan bestemmes ved å måle termiske nøytroner under anvendelse av to detektorer ved for-skjellig avstand fra kilden, eller ved å måle epitermiske nøy-troner med én enkelt detektor.

Ved pulset nøytronlogging blir formasjonene bestrålt med gjentatte utbrudd av hurtige nøytroner, vanligvis nøytroner som oppviser en energi større enn 1 Mev. Når de hurtige nøytroner trer inn i formasjonen, blir de moderert eller bremset ned av kjerner i formasjonen for å danne nøytronpopulasjoner med lavere energi. De hurtige nøytroner blir moderert til lavere energi-nivåer av de nukleære kollisjonsprosesser bestående av elastisk og uelastisk spredning. I elastisk spredning taper nøytronet en del av sin energi i en kollisjon som er perfekt elastisk, dvs. at den energi som tapes av nøytronet blir overtatt som kinetisk energi av den kjerne det kolliderer med. Ved uelastisk spredning blir bare litt av den energi som tapes av nøytronet, overtatt som kinetisk energi av den kjerne det kolliderer med. Det resterende energitap har generelt form av en gammastråle som utsendes fra de kolliderende kjerner.

I løpet av moderasjonen eller nedbremsingen når nøytronene detepitermiske område og blir da ytterligere moderert inntil de når det termiske området. Termiske nøytroner er nøytroner som er i termisk likevekt med sine omgivelser. Termiske nøytroners hastighetsfordeling følger den såkalte Maxwellianske fordelings-lov. Den energi som svarer til den mest sannsynlige hastighet ved en temperatur på 20°C, er 0,025 elektronvolt. Epitermiske nøytroner er de nøytroner som oppviser energier innenfor området fra umiddelbart over det termiske nøytronområdet til omkring 100 elektronvolt. Mens grensen mellom termiske og epitermiske nøytroner nødvendigvis er noe vilkårlig, blir den vanligvis plassert i området fra 0,1-1 elektronvolt.

Nøytronpopulasjonene ved de forskjellige energinivå des-integrerer med tiden etter en primærbestråling og utgjør derfor et middel til karakterisering av formasjonen. F.eks. i tilfelle med elastisk spredning som er fremherskende for energier mellom et par Mev og omkring 1 Mev, varierer det antall kollisjoner som er nødvendig for å bremse et nøytron ned fra et energinivå til et annet lavere energinivå mer eller mindre direkte med atomvekten til de atomkjerner som er tilgjengelige for kollisjon. I undergrunnsformasjoner har kollisjoner med hydrogenkjerner som er tilstede i hydrogenholdige materialer slik som olje, vann og gass en tendens til å være dominerende under nedbremsningsprosessen. Desintegrasjonshastigheten av den epitermiske nøytronpopulasjon gir derfor en kvalitativ indi-kasjon på mengden av hydrogenholdig materiale som er tilstede, noe som igjen kan indikere formasjonens porøsitet.

F.eks. U.S. patent nr. 4.097.737 beskriver en fremgangs-måte og et system for epitermisk nøytron-desintegrasjons-logging under anvendelse av en 14 Mev pulset nøytronkilde og en nøytrondetektor som er følsom for epitermiske nøytroner og sterkt diskriminerende mot termiske nøytroner. Detektoren er forholdsvis ufølsom for høyenergi-nøytroner og har et filter som gjør den skarpt ufølsom for termiske nøytroner. Filteret er et sammensatt filter med et lag av kadmium omtrent 0,20 mm tykt, og et lag av gadolinium som er omkring 0,25 mm tykt.

U.S. patent nr. 4,283,624 viser også til denne konstruksjonen, mens U.S. patent nr. 2,920,204 refererer til bruk av gadolinium uten å spesifisere noen verdi for filtertykkelse.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en epitermisk nøytrondetektor, omfattende en nøytronfølsom teller og et nøytronfilter som består av et lag med gadolinium, og detektoren kjennetegnes spesielt ved at filteret har en tykkelse på 0,15 mm.

Ifølge oppfinnelsen er det også tilveiebragt en anvendelse av detektoren i et system for logging av under-grunnsf ormas joner som omgir et borehull, og anvendelsen spesifiseres nøyaktig i det vedføyde patentkrav nr. 2.

Ved bruk av oppfinnelsen slik som definert ovenfor, bestråler en kilde for hurtige nøytroner de formasjoner som omgir borehullet. En nøytronteller detekterer hovedsakelig epitermiske nøytroner som vender tilbake til borehullet fra de bestrålte formasjoner. Et nøytronfilter omgir nøytrontelleren og har en optimal filtertykkelse slik at den tillater den lengst mulige forsinkelsestid etter hvert utbrudd av hurtige nøytroner fra nøytronkilden før de epitermiske nøytroner fra de bestrålte formasjoner blir detektert av nøytrontelleren, mens tellehastigheten av de epitermiske nøytroner samtidig optimaliseres med minimale termiske nøytroneffekter.

Oppfinnelsen er i det nedenstående beskrevet mer detaljert ved hjelp av et eksempel og under henvisning til de vedføyde tegninger, der: Figur 1 illustrerer nøytrondetektoren ifølge oppf innelsen,

figur 2 illustrerer tellehastighets-kurver for forskjellige tykkelser av nøytronfiltere,

figurene 3 og 7 illustrerer tidsforsinkelseskurver for tellehastigheten for bruk under bestemmelse av optimale nøytronfilter-tykkelser; og

figurene 4-6 illustrerer hjelpekurver som er utledet fra tellehastighets-kurvene og som brukes til å bestemme den optimale nøytronfilter-tykkelse.

Det vises til figur 1 på tegningene der en epitermisk nøytrondetektor omfatter en nøytronfølsom teller 10, fortrinnsvis en proporsjonal teller fylt med helium-3 gass, omgitt av et nøytronfilter 11, som består av et tynt lag gadolinium. En slik detektor kan anvendes i et system slik som det som er beskrevet i U.S. patent nr. 4,097,737 for epitermisk desintegrasjonsporøsitetslogging.

Nøytronfilteret 11 som omgir nøytrontelleren 10 har optimal tykkelse for å tillate den lengst mulige forsinkelsestid etter hvert nøytronutbrudd før de epitermiske nøytroner blir detektert ved hjelp av nøytrontelleren 10,

mens det samtidig opprettholdes (i) termiske nøytroneffekter innenfor et akseptabelt nivå og (ii) akseptable tellehastigheter av epitermiske nøytroner. Dette kan forklares ved å henvise til figur 2 som viser desintegrasjons-kurver oppnådd for et tykkelsesområde for nøytronfiltere som omgir en gitt nøytronteller når formasjonen som logges, har en gitt porø-sitet. På figur 2 viser de heltrukne linjene den totale observerte respons, som er summen av de ønskede epitermiske nøytronresponser og de uønskede termiske nøytronresponser. De brutte kurvene viser bare en epitermisk respons. Kurve 1 er oppnådd med et tykt filter som omgir nøytrontelleren, kurve 2 er oppnådd med et middels filter og kurve 3 er oppnådd med et tynt filter.

Uttrykkene tykk, middels og tynn står selvsagt i forhold til hverandre og er materialavhengige. Det viktige kriterium er at hvis filtermaterialet er tykt nok til å frembringe en ren epitermisk nøytrondesintegrasjon, blir uønskede termiske nøytroner eliminert fra målingen, og kurven 1 fremkommer. I dette tilfelle er imidlertid måltiden kortere enn ønsket, noe som gjør en nøyaktig epitermisk desintegrasjons-måling vanskelig å oppnå. Ved å benytte et tynnere filter, blir målingen spredd over en lengre tidsperiode. Hvis imidlertid filteret er for tynt, blir det uønskede bidrag fra termiske nøytroner for stort og den ønskede epitermiske desintegrasjons-måling oppnås ikke, som vist ved kurve 3. Oppfinnelsen tilveiebringer et optimalt kompromiss mellom de to tilstander som er vist ved kurvene 1 og 3, for så nær som mulig å tilveiebringe en ren epitermisk des-integrasjon over en så lang tidsperiode som mulig før det termiske nøytronbidrag blir for stort. Et slikt kompromiss er vist ved kurve 2.

Ved konstruksjon av en slik optimal filtertykkelse, må to forhold tas i betraktning:

hvor: f(t) = observert nøytronlevetid ved tidsforsinkelse t,

Tep^(t) = levetid for epitermisk nøytron ved tidsforsinkelse t,

tellehastighet (t) = tellehastighet ved tidsforsinkelse t, tellehastighet (0) = tellehastighet ved tidsforsinkelse 0, n = en dimensjonsløs parameter valgt for å tillate en gitt tilsetning av termisk nøytronrespons, og p = en dimensjonsløs parameter valgt for å tillate en gitt relativ statistisk nøyaktighet.

Den fysiske betydningen av parameteren n kan forklares på følgende måte. Den observerte nøytronlevetid T er en funksjon av både epitermiske og termiske nøytronegenskaper i grunn-formas j onene. Det er ønskelig å holde avhengigheten avTpå de termiske nøytroneffekter så lav som praktisk mulig. Parameteren 1 er et kvantitativt mål på den grad med hvilken termiske nøy-troneffekter vil påvirke den observerte nøytronlevetid. For tykke filtere vil T*!- og 1 være meget små. For tynne filtere vilT^T epi • og 3 0 være forholdsvis store. Ved bestemmelse av den optimale filtertykkelse blir det valgt en verdi av 1 som vil være akseptabel for formålet med den måling som foretas. I noen tilfeller vil en forholdsvis stor verdi av n. være akseptabel; i andre tilfeller vil en liten verdi være nødvendig.

Den fysiske betydning av parameteren f> er basert på det faktum at tellehastigheter i minst to distinkte tidsintervaller må være målt for å bestemme en levetid T. Antas tidsinter-vallene å være like, avhenger den statistiske nøyaktighet med hvilken T kan bestemmes, hovedsakelig på tellehastigheten i det tidsintervall som inntreffer tidsmessig senest etter utbruddet fra nøytronkiIden. Hvis t er den forsinkelsestid som svarer til begynnelsen av det siste intervall, så kan forholdet:

tas som et mål på den statistiske nøyaktighet avT. Forholdet ovenfor er en funksjon av t og avhenger av detektor/filter-kombinasjonen, idet dets hovedsakelige avhengighet er av filter-karakteristikkene. Som tilfellet med parameteren n, blir en operasjonsmessig verdi for p valgt basert på observerte des-integras jons-kurver og på kjennskap om hvor "langt ned" en des-integras jons-kurvemåling kan gjøres, som er statistisk brukbar.

De ligningsmessige betingelser for ligningene (1) og (2) blir tilfredsstilt for gitte verdier av rj og p ved forsink-elsestider t-^ og tp for tellehastigheten. Optimalisering av filtertykkelsen kan så uttrykkes på følgende måte: for en gitt filtertype blir den filtertykkelse valgt som maksimaliserer den minste av forsinkelsestidene trj og tp . Dette optimaliserings-kriteriet kan uttrykkes matematisk som: Verdiene av t og t vil hovedsakelig avhenge av filter-typen og tykkelsen, Xf, og de verdier som er valgt for og For en gitt filtertype er derfor

hvor f og g representerer funksjonsmessig avhengighet.

For gitte verdier av ^ og p viser figur 3 den kvalitative oppførsel av trj og tp som en funksjon av X^. Maksimum av Sm (tr), tp) inntreffer når tr) er lik tp og denne tilstand resul-terer i en enestående optimal verdi av filtertykkelsen (Xf)0P<T*>

Et eksempel på denne fremgangsmåten for bestemmelse av en optimal filtertykkelse, kan illustreres for en helium-3-detektor som er 6,3 5 mm i diameter, 25,4 mm lang og fylt med helium-3-gass til et trykk på 10 bar. Den type filtermateriale som benyttes, er gadolinium. Beregninger kan

foretas for å bestemme de tidsavhengige epitermiske og totale (epitermisk + termisk) relative tellehastigheter for et område

av gadolinium-tykkelser X^. Desintegrasjons-plottinger slik som de på figur 2, kan oppnås for hver verdi av X^. Fra disse kurver kan verdier av bestemmes og plottes som en funksjon av tiden, t. Legg merke til at |T(t) og R(t) er funksjoner av t, i motsetning tiliogP som er parametere hvis verdier velges- For hver verdi av X^ blir det således oppnådd et par kurver 6x og R. For valgte verdier av tj og p blir plottingene av St og R brukt til å bestemme trj og tp som tilfredsstiller ligningene:

Plottinger av <5*r(t) og R(t) er vist på figurene 4-6 for et typisk tilfelle med en sandstenformasjon med høy porøsitet. Figur 4 er for en gadolinium-tykkelse som er betydelig tynnere enn optimalt, figur 5 er for gadolinium som er betydelig tykkere enn optimalt, og figur 6 er for gadolinium nær den optimale tykkelse. I dette eksempel er y\ = 0,05 og p = 0,125. Verdiene trj og tp som inngår i ligningene (8) og (9) er antydet på tegn-ningene. Figur 7 viser plottinger av tn (heltrukken linje) og tp (brutt linje) som en funksjon av gadolinium-tykkelse for tre sett verdier av >) og p :

De verdier som er oppnådd for den optimale gadolinium-

tykkelse i hvert sett, er gitt ovenfor. Sett 1 og 3 antas å være ytterverdiene for v) og p for tilfredsstillende epitermiske desintegrasjonsmålinger. Sett 2 ansees å være det beste kompromiss f or ti og f> . For gadolinium er således den optimale filtertykkelse ifølge foreliggende oppfinnelse 0,15 mm.

Claims (2)

1. Epitermisk nøytrondetektor, omfattende en nøytronfølsom teller (10) og et nøytronfilter (11) som består av et lag med gadolinium, karakterisert ved at filteret har en tykkelse på 0,15 mm.

2. Anvendelse av en epitermisk nøytrondetektor omfattende en nøytronfølsom teller (10) og et nøytronfilter (11) som består av et lag med gadolinium, som nøytrondetektor i et system for epitermisk nøytrondesintegrasjons-logging av undergrunnsformasjoner som omgir et borehull, idet en kilde for hurtige nøytroner benyttes for bestråling av formasjonene som omgir borehullet, og idet filteret har en tykkelse på 0,15 mm.