NO170955B - Fremgangsmaate og apparat for noeytronlevetids-logging - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en radioaktiv brennloggemetode og et apparat for bestråling av undergrunnsformasjoner som undersøkes, med utbrudd av hurtige nøytroner,og mer spesielt en forbedret fremgangsmåte og et apparat for karakterisering av grunnformasjonen på basis av levetiden av en resulterende eller frembrakt neytronpopulasjon.

Det kan anvendes forskjellige teknikker til å karakterisere undergrunnsformasjoner med hensyn til deres fluidum- eller mineral innhold, lithologiske karakteristikker, porøsitet eller å avstedkomme stratigrafisk korrelasjon. NøytronkiIden kan være en kontinuerlig kilde eller en pulset kilde. For eksempel kan nøytronporøsitetslogging utføres ved bruk av en kontinuerlig noytronkilde til å bombardere formasjonen med hurtige nøytroner. Porøsiteten av formasjonen kan så bestemmes ved å måle termiske nøytroner med anvendelse av to detektorer med forskjellige avstander fra kilden eller ved å måle epitermiske nøytroner med en enkel detektor.

Ved loggeprosedyrer som er basert på pulsede nøytroner blir grunnformasjonene bestrålt med repeterende utbrudd av hurtige nøytroner, normalt nøytroner som har en energi større enn 1 Mev. Når de hurtige nøytroner trer inn i formasjonen, modereres de til lavere energinivåer ved de nukleære kol1 isjonsprosesser i form av elastisk og uelastisk spredning. Ved elastisk spredning taper nøytronet endel av sin energi i en kollisjon som er perfekt elastisk, d.v.s. at den energi som tapes av nøytronet opptas som kinetisk energi av den kjerne som det kolliderer med. Ved uelastisk spredning vil bare noe av den energi som tapes av nøytronene bli opptatt som kinetisk energi av den kjerne som de kolliderer med. Det resterende energitap har vanligvis form av en gammastråle som utsendes fra kol1 isjonskjernen.

Under forløpet av moderasjonen vil nøytronene nå det epitermiske område og blir følgelig moderert ytterligere inntil de når det termiske nøytronområdet. Termiske nøytroner er nøytroner som er i termisk likevekt med sine omgivelser. Hastighetsfordelingen av termiske nøytroner følger den såkalte Maxwells fordelingslov. Den energi som tilsvarer den mest sannsynlige hastighet for en temparatur på 20 grader Celcius er 0,025 elektronvolt. Epitermiske nøytroner er slike nøytroner som oppviser energier innenfor område fra umiddelbart over det termiske nøytronområdet til omkring ett hundre elektronvo1t. Selv om grensen mellom termiske og epitermiske nøytroner nødvendigvis er noe vilkårlig, settes den normalt i området 0,1 - 10,0 elektronvolt.

Nøytronpopulasjonen ved de forskjellige energinivåer avtar med tiden efter den primære bestråling og gir således en mulighet til å karakterisere formasjonen. I tilfelle av elastisk spredning som er dominerende for energier mellom noen få elektronvolt og omkring 1 Mev vil for eksempel det antall kollisjoner som kreves for at et nøytron skal modereres fra et energinivå til et annet og lavere energinivå, variere, mer eller mindre direkte med atomvekten av de kjerner som står til disposisjon for kollisjon. I undergrunnsformasjoner har hydrogenkjerner som er til stede i hydrogenholdige materialer, så som olje, vann og gass, en tendens til å dominere i retardasjons- eller bremseprosessen. Følgelig gir levetiden for den epitermiske nøytronpopulasjon en kvalitativ indikasjon på mengden av hydrogenholdig materiale som er til stede, hvilket i sin tur kan indikere porøsiteten av grunnf ormasjonen.

U.S. Patent 4,097,737 beskriver for eksempel en fremgangsmåte og et system for levetidslogging med epitermiske nøytroner

og anvendelse av en pulset nøytronkilde på 14 Mev og en nøytron-detektor som er følsom for epitermiske nøytroner og som er sterkt diskriminerende mot termiske nøytroner. Detektoren er forholds-vis ufølsom overfor nøytroner med høy energi og har et filter som gjør den skarpt ufølsom overfor termiske nøytroner.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en ny og forbedret fremgangsmåte og et system for noytronlevetids-logging av undergrunnsformasjoner som omgir et borehull. Oppfinnelsen er definert nøyaktig i de vedføyde patentkravene.

Slike formasjoner bestråles med utbrudd av hurtige nøytroner. Den stråling som returnerer til borehullet fra de bestrålte formasjoner, måles under utelukkelse av stråling fra væsken i borehullet.

En slik strålingsmåling utføres ved å plassere en retnings-følsom strålingsdetektorenhet slik at den befinner seg i fysisk berøring med borehullveggen, og denne retningsfe1somhet orien-teres i azimut mot grunnformasjonen ved berøringspunktet. Strålingsdetektorenheten presses fast mot grunnformasjonen slik at borehul1svæske utelukkes fra området mellom detektorenheten og borehullveggen.

På de ledsagende tegninger illustrerer:

Fig. 1 et borehulloggeapparat for bruk i fremgangsmåten for

nøytronlevetids-logging ifølge oppfinnelsen, og

Fig. 2 et tverrsnitt gjennom strålingsdetektorenheten eller -sonden på borehulloggeapparatet på fig. 1, slik den presses mot en undergrunnsformasjon i et utvidet parti av et borehull, i henhold til oppfinnelsen.

Ved termisk nøytronlevetids-logging for bestemmelse av hydrokarbonmetning og ved epitermisk nøytronlevetids-logging for bestemmelse av bergart-porøsitet, vil en måling av levetiden for sekundær stråling frembrakt av de injiserte nøytroner bli påvirket både av grunnformasjonens egenskaper og av borehullets egenskaper. Grunnformasjons-egenskapene kan frem-heves ved denne måling ved å forsinke analyseperiden i forhold til nøytronutbruddet, slik at man tillater den raskere avtakende stråling fra borehullsvæsken å bli svekket før måling av det mer langsomt avtakende strålingssignal fra grunnformasjonen. Imidlertid vil forsinkelsen av analyseperioden ikke alltid løse problemet, fordi det forsinkede formasjonssignal kan være for svakt til å gi statistisk gode data.

Et alternativ til å anvende en lang forsinkelsesperiode er å forsøke å eliminere virkningen av borehul1svæsken ved å fokusere strålingsdetektoren sterkt mot grunnformasjonen ved å presse strålingsdetektoren fast mot borehul1sveggen og skjerme den følsomme detektor mot stråling som skriver seg fra borehullsvæsken. Ved således å utelukke borehul1svæske fra område mellom detektoren og borehul1sveggen og ved å undertrykke stråling fra borehul lsvæsken, kan analyse av den desintegrerende nøytronpopulas jon igangsettes tidligere og vil ha fordelen av å anvende strålings-målinger med bedre statistisk kvalitet.

Ved en slik alternativ strålingsmåling i grunnformasjoner er det imidlertid spesielle problemer når det forekommer ujevnheter i borehullsveggen. Enhver utvidelse med større dybde enn omkring 3,2 mm kan innvirke alvorlig på grunnformasjons-strålingsmålingen. De fleste konvensjonelle borehullsloggesystemer anvender strålingsdetektorer som bare beveges langs borehullsveggen og er ikke i stand til å følge ujevne borehull med utvidelser som er mindre enn lengden av loggeapparatet, hvilket tillater at borehul1svæske fyller utvidelsen og derved på ugunstig måte påvirker grunnformasjons-strålingsmålingen. Denne uheldige virkning opptrer fordi borehullvæskens avtakende komponent er så dominerende at følsomheten av strålingsdetektoren for grunnformasjonens avtakende komponent kan være temmelig vanskelig å observere.

På fig. 1 er det vist et borehulloggesystem ifølge denne oppfinnelse. Et borehullapparat 10 som bæres av en kabel 11 omfatter en pulset nøytronkilde 12 med høy energi og en leddet eller svingbar strålingsdetektorsonde 13. En høyspennings-strømforsyning 14 er anordnet for kilden 12 og en modul 15 er forsynt med kretser for utnyttelse og modifikasjon av signaler fra strålingsdetektorsonden 13. Det inngår også kretser for styring av høyspenningsstrømforsyningen 14. En støttearm 16 med tilhørende sko 18 som strekker seg ut fra,loggeapparatet 10 kan være anordnet for å presse loggeapparatet 10 slik at det følger den gjennomsnittlige kontur av borehul1sveggen 24. Kabelen 11 er ført til en overflateenhet 17 hvor signalene fra strålingsdetektorsonden 13 registreres sammen med en dybdeindikasjon.

For å realisere det spesielle trekk ved foreliggende oppfinnelse som eliminerer de problematiske effekter av borehull-ujevnhet på formasjonsstrålingsmålingen, er strålingsdetektoren opptatt i en sonde eller sko som er tilstrekkelig liten til å følge korte utvidelser i borehullet. De fleste av disse utvidelser kan følges av en strålingsdetektorsonde eller -sko som ikke er større enn 300 mm i lengde og fortrinnsvis har en lengde i området fra 150 - 200 mm. Et tverrsnitt gjennom en slik sonde er vist på fig. 2. Strålingsdetektorsonden 13 kan for eksempel omfatte et flertall strålingstellere 20 som er plassert mot den ene siden av sonden 13, og et skjermemateriale (d.v.s. et moderasjons- og/eller absorbsjonsmateriale) 21 som fyller den gjenværende del av sonden. Armen 22 som er vist på fig. 1, fører sonden 13 inn i det utvidede parti 23 av borehullet 24 og orienterer dessuten sonden i azimut slik at den side av sonden som strålingstellerne 20 er anbrakt mot, blir presset fast mot formasjonen i det utvidede parti av borehullet. På denne måte får man maksimal fokusering av retningsfa 1somheten av den enhet som består av strålingstelleme 20 og skjermematerialet 21, mot grunnformasjonen, mens retningsfølsomheten av denne enhet overfor stråling fra borehullvæsken minimaliseres ved moderasjon og/eller absorbsjon av slik borehul1væske-stråling ved hjelp av skjermemateriale 21. Det er både adskillelsen av strålingsdetektorsonden 13 fra den øvrige del av loggapparatet ved hjelp av leddarmen 22 og de små dimensjoner av denne sonde som gjør det mulig å utelukke borehullvæske fra området mellom sonden og grunnformasjonen i berøringspunktet mellom sonden og formasjonen.

Hvilket som helst antall detektorer for epitermiske nøy-troner, termiske nøytroner eller gammastråler kan anvendes som strålingsdetektor i forbindelse med denne oppfinnelse. For epitermisk nøytronlevetids-logging kan det anvendes gadolinium-eller kadmiumfiltrerte helium-3-tellere skjermet med bor-holdig polyethylen. For termisk nøytronlevetids-logging kan det anvendes nakne helium-3-tellere skjermet med lithium, bor eller kadmium. Hvis nøytroninnfangnings-gammastråler skal måles istedet for epitermiske eller termiske nøytroner, kan det anvendes et vismuth-germanat, cesiumjodid- eller natriumjodid-krystall skjermet med et element som har høyt atomnummer, så som bly eller wolfram.

Denne oppfinnelse tillater nøytronlevetids-logging av undergrunnsformasjoner som gjennomtrenges av ujevne borehull, hvilket ikke er mulig med tidligere kjente borehul1slogge-systemer. Andre filter-, moderasjons- og absorbsjonsmaterialer enn dem som er omtalt ovenfor, kan benyttes med hell og det samme gjelder tallrike kombinasjoner av slike materialer. Det vil forståes at oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for nøytron-levetids-logging og at denne har maksimal følsomhet overfor levetidsmålinger av formasjonsnøytroner i ujevne borehull, mens følsomheten for stråling fra borehullvæsken er redusert til et minimum.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for nøytronlevetids-logging i undergrunnsformasjoner som omgir et borehull, hvor grunnformasjoner som omgir et borehull, bestråles med utbrudd av hurtige nøytroner fra en strålingskilde (12), og hvor nøytronlevetiden av sekundær stråling frembragt av den injiserte stråling, måles, karakterisert ved at målingen foretas ved anvendelse av en leddet eller svingbar sonde (13) som inneholder en strålingsdetektor-enhet (20), men ikke inneholder strålingskilden (12), hvor hele lengden av sonden (13) presses mot borehullveggen (24) slik at borehullvæske utelukkes fra området mellom sonden (13) og borehullveggen (24) i berøringspunktet, slik at følsomheten av strålingsdetektor-enheten (20) for stråling fra grunnformasjonen blir et maksimum, mens følsomheten for stråling fra borehullvæsken blir redusert til et minimum.

2. Borehull-loggeapparat (10) for nøytronlevetids-logging i undergrunnsformasjoner som omgir et borehull, hvilket apparat omfatter en pulset kilde (12) for hurtige nøytroner for bestråling av de grunnformasjoner som omgir et borehull, med hurtige nøytroner, og minst én retningsfølsom strålingsdetektor-enhet (20) for måling av levetiden av sekundær stråling frembragt av de injiserte nøytroner, som returnerer til borehullet fra de bestrålte grunnformasjoner, karakterisert ved at kilden (12) er plassert utenfor strålingsdetektor-enheten (20), og ved en anordning (22) for plassering av den retningsfølsomme strålingsdetektor-enhet (2 0) slik at den opprettholder berøring med grunnformasjonen og derved utelukker borehullvæske fra området mellom detektorenheten (20) og borehullveggen (24) når logge-apparatet (10) beveger seg gjennom borehullet.

3. Borehull-loggeapparat (10) ifølge krav 2, hvor detektorenheten (20) omfatter en strålingsdetektor (20), et skjermemateriale (21) for moderasjon og/eller absorpsjon av sekundær stråling, samt en sonde (13) til å oppta strålingsdetektoren (20) og skjermematerialet (21), hvor strålingsdetektoren (2 0) er plassert mot den ene side av sonden (13) og skjermematerialet (21) utfyller den gjenværende del av sonden (13), karakterisert ved en anordning (22) til å føre sonden (13) mot borehullveggen (24) og til å orientere sonden i azimut slik at den side av sonden (13) som strålingsdetektoren (20) er plassert mot, blir presset fast mot borehullveggen (24) slik at fokuseringen av retningsfølsomheten av strålingsdetektoren (20) mot grunnformasjonen, blir et maksimum i berøringspunktet, mens retningsfølsomheten for strålingsdetektoren (20) overfor sekundær stråling fra borehul1-væsken ble redusert til et minimum.

4. Borehull-loggeapparat (10) ifølge krav 3, karakterisert ved at lengden av sonden tillater fokusering av retningsfølsomheten av strålingsdetektoren (20) mot grunnformasjonsstråling, og utelukker stråling fra borehull-væske langs enhver borehullutvidelse (23) som har større lengde enn lengden av sonden.

5. Borehull-loggeapparat (10) ifølge krav 4, karakterisert ved at lengden av sonden (13) ikke er større enn 3 00 mm.

6. Borehull-loggeapparat (10) ifølge krav 5, karakterisert ved at lengden av sonden (13) er fra 150 - 200 mm.