NO171136B

NO171136B - Broennloggeverktoey med noeytronkilde av akseleratortype

Info

Publication number: NO171136B
Application number: NO88880382A
Authority: NO
Inventors: Stephen Antkiw; Paul Albats
Original assignee: Schlumberger Ltd
Priority date: 1986-06-05
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1992-10-19
Also published as: WO1987007733A1; EP0436990A3; NO880382D0; NO880382L; DK43688D0; NO171136C; DE3681454D1; EP0436990A2; ATE67318T1; AU593004B2; EP0269620B1; EP0436990B1; EP0269620A1; AU6132886A

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et brønnloggeverktøy for en undersøkelse av en grunnformasjon som omgir et borehull, og for å bestemme grunnformasjonens egenskaper. Mer spesielt tillater oppfinnelsen en mer nøyaktig bestemmelse av formasjons-porøsiteten og andre egenskaper, slik som det makroskopiske innfangningstverrsnitt ved å bruke en nøytronkilde av akselerator-typen. Den vedrører også et forbedret apparat for overvåkning av utgangen fra en slik nøytronkilde.

Kjennskap til porøsiteten i en grunnformasjon som omgir et borehull, er viktig i oljeindustrien når det gjelder å identifisere mulige olje- og gassproduserende områder og beregne en formasjons maksimale produserbare oljeindeks, samt andre viktige parametre. Velkjente loggeverktøy for måling av porøsitet bruker vanligvis en kjemisk nøytronkilde, for eksempel Cf<252>, AmBe eller PuBe, og 2 eller flere nøytrondetek-torer adskilt ved forskjellige avstander fra kilden. Verktøy av denne typen er beskrevet i detalj i U.S. patent nr. 3483376 og nr. 3566117.

Kjemiske nøytronkilder er imidlertid beheftet med problemer når det gjelder håndtering, transport og lagring, noe som i alvorlig grad hindrer deres bruk. På grunn av faren for strålingssikkerheten er forskrifter vedrørende kjemiske kilder blitt mer restriktive og kan i fremtiden forhindre deres bruk fullstendig. Kjemiske kilder har videre begrensninger med hensyn til utgangsintensitet som typisk er i størrelsesorden 4 X IO<7> nøytroner pr. sekund eller mindre. Bruk av store kjemiske kilder ville om den var mulig innenfor de begrensninger som gjelder for brønnloggeverktøy, bare forverre de ovennevnte problemer med strålingssikkerheten.

Forskjellige nøytronkilder av akselerator-typen er også tilgjengelige for mulig bruk i brønnloggeverktøy, for eksempel en akselerator basert på deuterium-tritium-reaksjonen (D-T-reaksjonen) som produserer 14 MeV nøytroner, en akselerator basert på deuterium-deuterium-reaksjonen (D-D-reaksjonen) som produserer 2,5 MeV nøytroner, og en akselerator basert på tritium-tritium-reaksjonen (T-T-reaksjonen) som produserer et spektrum med nøytroner fra 1 til 10 MeV med middelenergi på nøytronene nær 5 MeV. Et eksempel på en stor D-T-nøytronkilde av akselerator-typen er vist i U.S. patent nr.3775216.

Ettersom en nøytronkilde av akselerator-typen kan slås av og på etter ønske, finnes ikke de strålingsproblemer som oppstår ved bruk av en kjemisk kilde i forbindelse med akseleratorkilder. En ytterligere fordel med akseleratorkilder er den mulige økte nøytronkilde-styrke. Således er nøytronutmatninger på 5 X IO<8> nøytroner pr. sekund eller større lett tilgjengelig, noe som er en størrelsesorden større enn for kjemiske kilder. På grunn av den større nøytron-intensiteten gir akseleratorkilder også større statistisk nøyaktighet og tillater at loggeoperasjoner kan utføres hurtigere. Den høyere kildestyrken øker også konstruksjonsfleksibiliteten med hensyn til skjerming og avstand mellom forskjellige detektorer og avstanden mellom en spesiell detektor og kilden, slik at sondens ytelse kan forbedres. Større detektoravstander medfører for eksempel mindre borehullseffekter.

Man har imidlertid funnet at direkte utskiftning av en akseleratorkilde med en kjemisk kilde i en kjent porøsitets-sonde ikke tilveiebringer noe levedyktig brønnloggeverktøy. Dette skjer fordi reaksjonen til kjente porøsitetsverktøy hovedsakelig blir styrt av høyenergi-nøytrontransporten til i nærheten av detektoren eller detektorene og av nedbremsingen på grunn av energisvekkende kollisjoner til lavere energier lokalt hvor deteksjonen finner sted. Kildens nøytronenergi påvirker porøsitetsresponsen gjennom de totale tverrsnitt som sees av nøytronene under deres transport til i nærheten av detektoren. For en D-T-kilde som produserer 14 MeV nøytroner, er formasjonens tverrsnitt sett av nøytronene, ganske forskjellig fra de for den typiske kjemiske kilde, for eksempel nøytroner med middelenergi 4-MeV for AmBe-kildenøytroner. Virkningene av en variasjon i porøsiteten på nøytrondetektorene, og dermed utgangssignalene fra detektorene, blir følgelig forskjellige for D-T-akseleratorkilden og en kjemisk kilde. En betydelig ulempe ved direkte utskifting av en D-T-akseleratorkilde med en kjemisk kilde, er for eksempel en mangel på porøsitetsfølsomhet over omkring 25 % porøsitet.

Teoretisk vil loggeanordninger som bruker en enkelt detektor med en D-T-akselerator, gi god følsomhet overfor endringer i porøsiteten over hele det porøsitetsområde som er av interesse. Omhyggelig kontroll eller måling av akseleratorens nøytronutgang er imidlertid uhyre viktig når det gjelder å utlede en nøyaktig bestemmelse av porøsiteten når det benyttes bare en enkelt detektor. Tidligere forskjell på å utvikle porøsitetsverktøy med en enkelt detektor har vært behefte med unøyaktigheter fordi akseleratorens nøytronutgang ikke kan styres tilfredsstillende. Videre har det hittil vært vanskelig i praksis å foreta direkte målinger av 14 MeV nøytroner som er tilstrekkelig upåvirket av innholdet av i borehullsmiljet, eller med tilstrekkelig nøyaktighet og re-produserbarhet til at de er brukbare til porøsi-tets-bestemmelser.

Det er følgelig et behov for et porøsitetsverktøy som benytter en akselerator-nøytronkilde for derved å eliminere strålingsproblemene i forbindelse med bruk av kjemiske nøytronkilder, og som samtidig gir nøyaktig porøsitets-følsomhet over hele det interessante området ved borehulls-logging. Det er også et behov for et porøsitetsloggeapparat som benytter en nøytronkilde av akseleratortypen med høy styrke som frembringer bedre statsistisk nøyaktighet, tillater hurtigere logging, øker konstruksjonsfleksibiliteten og medfører en bedre porøsitetsbestemmelse som er mindre påvirket av borehullseffekter.

Samtidig er det et behov for en overvåkningsanordning som er i stand til å måle nøytronutgangen fra en nøytron-akselerator med høy energi, men som er i det vesentlige ufølsom for borehullsmiljøet .

Kjennskap til intensiteten til en nøytronkilde som brukes i en et brønnloggeverktøy er viktig også av et antall andre grunner. Med kjemiske kilder som er iboende stabile, er kildens intensitet kjent og utgangskalibrering kan lett utføres før en loggeoperasjon. Men kalibrering av loggemålingene i forhold til kildestyrken er selvsagt imidlertid også nødvendig. I tilfelle med kilder av akselerator-typen som er iboende ustabile, er nøyaktig kjennskap til kildeintensiteten enda viktigere. For å oppnå brukbare logge-målinger med en akseleratorkilde, er det viktig at kildeintensiteten blir overvåket nøyaktig samtidig med loggemålingene, ellers må det tas forholdsregler, som for eksempel det å bruke flere detektorer og danne forholdsmålinger, for å kompensere for variasjoner i kildestyrken. Ideelt bør kildeovervåknings-anordningen bare reagere på kildestyrken og bør være ufølsom for andre variable, for eksempel formasjonens grunnmasse og fluider, borehullsfluider, borehullsdimensjon, verktøyforskyvning osv, som påvirker borehullsmålingene.

Forskjellige innretninger for overvåkning av utgangen fra nøytrongeneratorer er blitt foreslått. Vanligvis omfatter slike innretninger for skjelning av kildenøytroner, dvs. nøytroner utsendt direkte av kilden og som ikke har vekselvirket med andre kjerner, fra annen stråling, for eksempel spredde nøytroner med lav energi og naturlig forekommende induserte gammastråler. Et eksempel på en slik anordning for overvåkning av en nøytronkildes intensitet er beskrevet i U.S. patent nr. 42 68749. I denne overvåkningsanordningen blir en detektor for hurtige nøytroner, fortrinnsvis av helium-3-typen med høyt helium-3-gasstrykk, brukt til å detektere nøytroner, og signaler fra detektoren blir overført til en diskriminator som er forspent for å telle helium-3-rekyler fra kildenøytroner, og diskriminere mot

nøytroner fra formasjonen som ikke stammer fra kilden.

Et annet eksempel på anordning for overvåking av en nøytronkildes intensitet er beskrevet i U.S. patent nr.

4271361. I denne anordningen blir et arsenlag benyttet til å utsende gammastråler med halveringstid på omkring 17 millise-kunder når det eksiteres av innfallende hurtige nøytroner. En gammastråledetektor i nærheten av arsenlaget detekterer gamma-strålene og leverer signaler som er representative for disse,

til en energiselektiv tellekrets, som teller de gamma-stråle-hendelser som stammer fra arsenet, som en indikasjon på kildens intensitet.

Nok et eksempel på en anordning for overvåkning av en nøytronkildes intensitet er en innretning som har en scintillator, en fotomultiplikator og en pulsform-diskriminator for å skjelne kildenøytroner fra annen stråling.

Kjente innretninger for overvåkning av nøytronkiIders utgang er beheftet med flere problemer, spesielt i borehullsmiljø. For det første har kjente anordninger en tendens til ikke å være borehulls-kompatible, dvs. at de blir påvirket av tilbakespredde nøytroner, naturlig forekommende stråling, og andre borehullseffekter som er et resultat av borehullets innhold, dimensjon, formasjonsmatriks og lignende. For det andre vil de høye temperaturene og andre barske betingelser som er vanlige i et borehull, ofte gjøre det nødvendig med kompliserte kretser for kompensering av forsterkningen eller andre forholdsregler, slik som kryogeniske beholdere, for å stabilisere overvåkningsanordningen. I tillegg virker pulsform-diskriminatorer bare tilfredsstillende med væske-scintillatorer i tillegg til at de har en meget kompleks elektronikk, noe som gjør drift ved høye temperaturer vanskelig, og de er forholdsvis langsomme, noe som forhindrer at de brukes i anvendelser hvor tellehastighetene er høye.

De forannevnte og andre uløste problemer blir ifølge et aspekt ved oppfinnelsen løst av et brønnloggeverktøy som omfatter en nøytronkilde av akselerator-typen, en nøytronkilde-monitor eller overvåkningsanordning, en nærliggende epitermisk nøytrondetektor, en fjerntliggende epitermisk nøytrondetektor, en spesiell nøytronskjerm for den nærliggende epitermiske detektoren, og fortrinnsvis en gruppe nøytrondetektorer anbragt mellom den nærliggende og den fjerntliggende epitermiske detektoren og/eller en fjerntliggende termisk nøytrondetektor.

Brønnloggeverktøyet ifølge oppfinnelsen defineres nøyaktig i det vedføyde patentkrav 1. Videre defineres en overvåkningsanordning for en nøytronkilde nøyaktig i patentkrav 15. Ytterligere utførelser av disse aspekter ved oppfinnelsen defineres i de vedføyde uselvstendige patent-kravene.

Overvåkningsanordningen for nøytronkilden er anbragt slik at den reagerer hovedsakelig på umodererte nøytroner som blir utsendt fra kilden, dvs. nøytroner som ikke har vekselvirket med formasjonen eller borehullet. Overvåkningsanordnigen omfatter fortrinnsvis en organisk scintillator med en karakteristisk dimensjon som er liten i forhold til det midlere området av gammastråle-induserte elektroner (Compton-spredning) som ville frembringe lyspulser med størrelser sammenlignbare med de som inntreffer fra rekylprotoner frembragt av kildenøytroner, mens den er stor i forhold til det midlere området for slike rekylprotoner. Scintillatoren er koblet med en fotomultiplikator til en pulshøyde-diskriminatorkrets som slipper gjennom pulser i høyenergi-delen av det flate partiet til scintillatorens pulshøyde-spektrum hvor spektret er dominert av kildenøytroner. Overvåkningskretsen for nøytronkilden frembringer følgelig et signal som er proporsjonalt med utgangsstyrken, eller intensiteten, til nøytronkilden. Overvåkningsanordningen har god iboende forsterkningsstabilitet, men om nødvendig kan aktiv forsterkningskompensering tilveiebringes ved for eksempel bruk av en annen differensiell pulshøyde-diskriminator for å slippe igjennom et annet område med pulser og ved å sammenligne et forhold mellom tellehastighetene fra de to pulsområdene og en referanseverdi.

Kilde-overvåkningsanordningen kan også brukes til å måle desintegrasjonen av den termiske nøytronpopulasjonen i den grunnformasjonen som omgir borehullet, for det formål å utlede formasjonens sigma. For dette formål blir infangnings-gammastråler som detekteres av overvåkningsanordningen under perioder mellom nøytronutbrudd, detektert og sortert i en tids-tellekrets (timing multiscaler).

Den nærliggende epitermiske nøytrondetektoren blir anbragt nær nøytronkilden. Skjermen for den epitermiske nærdetektoren hever fortrinnsvis dens deteksjonsterskel for lavenergi-nøytroner til omkring 10 eV til 100 eV, mens den opprettholder følsomheten for høyere nøytronenergier, og den omfatter fortrinnsvis en ring av nøytronmodererende/ nøytronabsorberende materialer som omgir nærdetektoren. Dette arrangementet tilveiebringer økt porøsitet/følsomhet-forhold over hele området av interesse (0 %-40 %). Fortrinnsvis er ingen skjerming med høy densitet anbragt mellom nøytronkilden og den epitermiske nærdetektoren, noe som tillater meget kort avstand mellom nærdetektoren og kilden. Slike små kilde/detektor-aystander bidrar til å øke porøsitets-følsomhetsforholdet.

På grunn av den økede midlere deteksjonsenergien til den epitermiske nærdetektoren, har den en sterkt minsket følsomhet for formasjonsporøsiteten, men forblir følsom overfor miljø-effekter i borehullet og verktøyets veggavstand. Følgelig er den nyttig når det gjelder å korrigere for borehullseffekter og verktøyets veggavstand når porøsiteten bestemmes enten ved hjelp av forholds-teknikken eller kryssplottings-teknikken, som begge blir diskutert mer detaljert nedenfor. I følge ytterligere et trekk ved oppfinnelsen kan den nye, skjermede nær-nøytrondetektorens konstruksjon anvendes uavhengig som en overvåknings-anordning eller en monitor for høyenergi nøytronfluks. I denne driftsmodus er det spesielt nyttig å overvåke kildestyrken av nøytronakseleratorer av D-T-typen.

Den epitermiske fjerndetektoren er anbragt slik i forhold til nøytronkilden at detektoren forblir fullstendig følsom for formasjonsporøsiteten, og er fortrinnsvis eksentrisk anbragt i sonden og skjermet på baksiden for ytterligere å forsterke dens følsomhet for formasjonen og minske dens følsomhet for borehullsnøytroner. I en annen utførelsesform er den epitermiske fjerndetektoren hverken eksentrisk anbragt eller skjermet og beholder sin vanlige porøsitetsfølsomhet.

Formasjonens porøsitet kan bestemmes ved å ta et forhold mellom utgangssignalet fra den epitermiske nærdetektoren og utgangssignalet fra den epitermiske fjerndetektoren, dvs. ved hjelp av forholdsteknikken eller ved å bruke en opptegning av

signalet fra den epitermiske nærdetektoren normalisert med signalet fra overvåkningsanordningen for nøytronkilden, som funksjon av signalet fra den epitermiske fjerndetektoren normalisert med signalet fra overvåkningskretsen for nøytron-kilden, dvs. ved hjelp av kryssplottingsteknikken. Med hver av teknikkene blir det oppnådd en porøsitetsbestemmelse som kan sammenlignes med eller er bedre enn den som gis ved de tidligere kjente apparater med kjemiske kilder, mens man samtidig unngår de sikkerhets-og intensitets-begrensninger som de tidligere kjente apparater er beheftet med.

Den mellomliggende nøytrondetektor-gruppen omfatter fortrinnsvis et par aksialt adskilte nøytrondetektorer med lik energi-følsomhet (epitermisk eller termisk) for å tilveiebringe bedre rommessig oppløsning i porøsitetsmålingen. Dette er spesielt nyttig for definisjon av tynne lag. For å forsterke følsomheten overfor formasjonen blir detektorparet fortrinnsvis anordnet eksentrisk i sonden og skjermet på baksiden for å redusere borehullseffekter. En tredje nøytrondektektor kan ha en betydelig annerledes nøytronenergi-følsomhet, dvs. termisk dersom det aksialt adskilte paret er epitermisk følsomt, og epitermisk hvis paret er termisk følsomt, og er fortrinnsvis anordnet med den samme kilde-detektoravstand som det nærmestliggende detektorparet i gruppen. Den tredje detektoren er fortrinnsvis transversalt forskjøvet fra detektorparet og skjermet på baksiden for å redusere borehullseffekter. Det epitermiske/termiske tellehastighet-forholdet til de to likt adskilte detektorene kan brukes til å tilveiebringe en lokal, utledet sigma for formasjonen og for sammenligning av de epitermiske og termiske nøytronflukser.

Den valgfrie termiske fjerndetektoren er anordnet lenger fra nøytronkilden enn den epitermiske fjern-nøytrondetektoren, men likevel nær den for å forsterke målingenes statistiske nøyaktighet. Den termiske nøytrondetektoren er fortrinnsvis anordnet eksentrisk i sonden og skjermet på den side som vender mot borehullet slik at virkninger fra borehullsmiljøet blir redusert. Tilveiebringelsen av en termisk nøytron-detektor i verktøyet tillater bestemmelse av formasjonskarakteristikker avhengig av termisk absorsjon, slik som formasjonens innfangningstverrsnitt, men har også god porøsitetsfølsomhet og statistisk nøyaktighet.

Nøytronkilden av akselerator-typen er fortrinnsvis en D-T-kilde, selv om andre typer akseleratorer kan brukes om ønsket. Egnede nøytrondetektorer er helium-tre (He-3) proporsjonaltellere, med de to detektorer nærmest nøytronkilden, dvs. at den epitermiske nærdetektoren og den epitermiske fjerndetektoren er dekket av et tynt kadmiumlag for å gjøre detektorene ufølsomme for nøytroner med energier under omkring 0,5 eV.

Formålet med og fordelene ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå klarere under henvisning til den følgende detaljerte beskrivelse av eksempler på utførelses-former i forbindelse med de vedføyde tegninger, der: Figur 1 er et tverrsnitt av en utførelsesform av et brønnloggeverktøy ifølge oppfinnelsen; Figur 2 er et tverrsnitt av brønnloggeverktøyet på figur 1 tatt langs linjen 2-2 og illustrerer den termiske nøytron-detektoren og dennes skjerming; Figur 3 er et tverrsnitt av brønnloggeverktøyet på figur 1 tatt langs linjen 3-3 og illustrerer den epitermiske fjerndetektoren og dennes skjerming; Figur 4 er et tverrsnitt av utførelsesformen på figur 1 tatt langs linjen 4-4 og illustrerer He-3-detektorgruppen og dennes skjerming; Figur 5 er et skjematisk diagram av behandlingskretsene for detektorsignalene i brønnloggeverktøyet på figur 1; Figur 6 er en opptegning av forholdet mellom tellehastighetene til den epitermiske nærdetektoren og den epitermiske fjerndetektoren som funksjon av porøsiteten; Figur 7 er en kryssplotting av tellehastigheten for den epitermiske fjerndetektoren mot tellehastigheten til den epitermiske nærdetektoren for forskjellige formasjons-grunnmasser; Figur 8 er et skjematisk tverrsnitt av en annen utførelsesform av et brønnloggeverktøy for å bestemme porøsiteten av en undergrunnsformasjon i samsvar med et ytterligere aspekt av den foreliggende oppfinnelse, og viser en utførelsesform av et nytt skjermet detektorsystem og en kilde-overvåkningsanordning ifølge oppfinnelsen; Figur 9 viser en annen utførelsesform av detektor-skjerm-konstruksjonen ifølge oppfinnelsen; Figur 10 illustrerer en annen utførelsesform av detektor-skjermkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen; Figur 11 viser nok en utførelsesform av detektor-skjerm-konstruksjonen ifølge oppfinnelsen; Figur 12 er en grafisk representasjon av effektiviteten til den foreliggende oppfinnelse som en porøsitetsindikator i forhold til den uskjermede nøytronporøsitet-teknikk med to detektorer; Figur 13 er et skjematisk diagram av en overvåknings-anordning for en nøytronkildes intensitet i samsvar med oppfinnelsen, som brukes sammen med et system for undersøkelse av en grunnformasjon som omgir et slamfylt borehull; Figur 14 er et diagram som viser kurver over tellehastigheter for nøytroninduserte hendelser og for gammastråle-indueserte hendelser som funksjon av energien for en overvåkningsanordning for en nøytronkildes intensitet i samsvar med oppfinnelsen; og Figur 15 er en lineær plotting av pulshøyde-spektre (tellinger/kanal som funksjon av kanal; og viser en lineær tilnærmelse til spektrumformen i området til

diskriminatorvinduet for overvåkning av kildestyrken.

Illustrerende utførelsesformer av et apparat basert på oppfinnelsens prinsipper er vist på figurene, hvor like henvisningstall betegner like komponenter. På figur 1 er det vist et brønnloggeverktøy, eller sonde 10 for undersøkelse av porøsitet, termisk nøytron-innfangningstverrsnitt og andre parametre ved en grunnformasjon som omgir et borehull. Sonden 10 omfatter en nøytronkilde av akselerator-typen 12, en overvåkningsanordning 14 for nøytronkilden, en epitermisk nær-nøytrondetektor 16, en termisk/epitermisk detektorgruppe 17, en epitermisk fjern-nøytrondetektor 18 og en termisk nøytron-detektor 20. Skjermer 22, 24 og 26 er tilveiebragt for å skjerme detektorene 16, 18 og 20. En skjerm 28 er anordnet mellom den epitermiske nærdetektoren 16 og den epitermiske fjerndetektoren 18 og tjener også til å skjerme den termiske/ epitermiske detektorgruppen 17.

Sonden 10 er konstruert som et sidevegg-apparat, og en buefjær antydet skjematisk ved 11, eller en annen konvensjonell anordning, kan være tilveiebragt på sonden for å tvinge den mot borehullsveggen. Selv om sonden hovedsakelig er beregnet for logging av åpne hull, kan den brukes i forede hull og den kan om ønsket, være dimensjonert for bruk gjennom rør.

Nøytronakseleratoren 12 kan være av enhver egnet type, men er fortrinnsvis en kilde av typen D-T (14 MeV) med en utgang i størrelsesorden 5 X IO<8> n/s eller større for forbedret detektor-statistikk og loggehastighet. Selv om det ikke er vist på figur 1, vil man forstå at akseleratorpakken omfatter den nødvendige høyspente kraftforsyning og utløsningskretser for drift av akseleratoren, og disse kretsene kan også være konvensjonelle. I den foreliggende oppfinnelse kan akseleratoren drives enten kontinuerlig eller pulset. Hvis sistnevnte driftsmåte brukes vil akseleratorpakken selvsagt omfatte de nødvendige pulskretser, som er kjente. Man vil også forstå at egnede kraftforsyninger (ikke vist) likeledes er tilveiebragt i sonden 10 for å drive detektorene 16,17,18 og 20 og annen elektronikk nede i borehullet.

En foretrukket utførelsesform omfatter overvåkningsanordningen 14 for nøytronkilden, en scintillator 30, fortrinnsvis av plast, selv om andre typer kan brukes, som detekterer de hurtige nøytroner som utsendes av kilden, og en fotomultiplikator 32 som forsterker signalene som frembringes av scintillatoren 30. Som beskrevet nærmere i det følgende i forbindelse med figurene 13-15, kan overvåkningskretsen 14

typisk omfatte en plastscintillator med diameter 1,3 cm og lengde 1,3 cm (NE102A,BC-438 osv.) og bør være anordnet slik

at dens respons under og umiddelbart etter nøytronutbruddet domineres av umodererte nøytroner med høy energi som kommer direkte fra kilden, og slik at virkningene av spredte nøytroner og gammastråler i denne tidsperioden er minimalisert. Fortrinnsvis er overvåkningsanordningen 14 anbragt nær eller på radien til nøytronakseleratoren 12, med scintillatoren 30 ved posisjonen til akseleratorens 12 target 34. På grunn av konstruksjonsbegrensninger (plass-begrensninger) kan overvåkningskretsen imidlertid måtte anbringes koaksialt med kilden, for eksempel i enkelte sonder for forede hull. Ved fravær av sterk skjerming mellom kilden 12 og overvåkningsanordningen 14, kan scintillatoren 30 være adskilt så meget som 30 cm fra kilden 12, som beskrevet nærmere nedenfor.

Med overvåkningsanordningen 14 for nøytronkilden riktig dimensjonert og anbragt reagerer den under og umiddelbart etter utbruddet hovedsakelig på at umodererte nøytroner faller på den direkte fra nøytronkilden, for derved pålitelig å detektere endringer i utgangsintensiteten til kilden 12, og er forholdsvis upåvirket under denne perioden av endringer i borehullet eller formasjonens karakteristikker. Følgelig er utgangssignalet fra overvåkningskretsen for nøytronkilden, som beskrevet nedenfor, nyttig når det gjelder å normalisere utgangssignalene fra de epitermiske og termiske nøytron-detektorene med hensyn til fluktuasjoner i kildestyrken. Overvåkningsanordningen 14 har god iboende forsterkningsstabilitet, men som illustrert skjematisk på figurene 5 og 13, kan den når ytterligere større forsterkningsstabilitet er nødvendig, brukes i en krets for tilbakekoblingsregulering av den høyspente fotomultiplikator-kraftforsyningen for overvåkningsanordningen.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen kan overvåkningsanordningen 14 også brukes til å detektere innfangnings-gammastråler som en funksjon av tiden etter utbruddet for det formål å bestemme formasjonens sigma. Datadeteksjonen og behandlingstrinnene for å oppnå formasjonens sigma er beskrevet mer detaljert i forbindelse med figur 5.

Den epitermiske nær-nøytrondetektoren 16 og den epitermiske fjern-nøytrondetektoren 18 som er vist på figur 1 er fortrinnsvis helium 3-proporsjonaltellere dekket av en tynn kadmiumskjerm, for eksempel 0,05 cm, for å gjøre detektorene ufølsomme for nøytroner med energier under det epitermiske området, dvs. under omkring 0,5 eV. Andre typer nøytron-detektorer, slik som bor- trifluorid (VF3 )-detektorer kan selvsagt brukes. Detektorene 16 og 18 tilveiebringer den primære porøsitetsmåling.

Det følsomme eller aktive volum av nærdetektoren 16 bør være anbragt nær kilden 12, og fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis uten anvendelse av skjerming med høy densitet. For en sylindrisk detektor som for eksempel har en diameter på 2,5 cm og en lengde på 7,6 cm, en typisk detektorstørrelse, vil en egnet avstand være i størrelsesorden 20 til 25 cm mellom midtpunktet av det følsomme volumet til D-T-akseleratorens target. En slik liten kilde-detektoravstand forsterker porøsitetsfølsomhets-forholdet sammenlignet med en mer fjerntliggende detektor med mellomliggende skjerming. Som man vil forstå kan den optimale kilde/detektor-avstand variere med et antall faktorer, for eksempel detektordimensjon, trykk, kildeintensitet, akseleratortype og lignende.

Skjermen 22 for nærdetektoren 16 er fortrinnsvis ringformet og omslutter nærdetektorens følsomme volum, og som beskrevet nærmere nedenfor, er den konstruert for å heve nærdetektorens deteksjonsterskel for lavenergi-nøytroner til et nivå der detektoreffektiviteten nominelt er maksimum for høyere energiområder. For dette formål blir detektorterskelen hevet til minst omkring 10 eV, og fortrinnsvis til eller i størrelsesorden av 100 eV. Med skjermen 22 konstruert på denne måten og en nærdetektor anordnet tett inntil kilden uten mellomliggende skjerming med høy densitet, er nærdetektoren forholdsvis ufølsom for endringer i formasjonsporøsiteten, siden nøytroner som har vekselvirket med formasjonen, vanligvis vil ha energier under detektorens deteksjonsterskel for lavenergi-nøytroner. Nærdetektoren vil imidlertid forbli følsom for effekter som skyldes borehullsmiljøet og verktøyets veggavstand, siden nøytroner som har vekselvirket bare med innholdet i borehullet, vanligvis vil ha energier over 10 eV. Følgelig kan utgangssignalet fra nærdetektoren brukes til å kompensere andre detektorsignaler for slike effekter. Anordninger og fremgangsmåter som er nyttige til dette formål, er beskrevet i U.S. patent nr. 4423323 og 4524274, som herved er innført som referanser. Ytterligere detaljer vedrørende konstruksjonen og avstanden og funksjonen til nærdetektoren 16 og konstruksjonen av skjermen 22 blir beskrevet nedenfor i forbindelse med figurene 8 til 12.

Fjerndetektorens 18 avstand fra kilden 12 er fortrinnsvis valgt for å maksimalisere statistisk nøyaktighet, det vil si tellefølsomhet, mens virkningene av slike miljøfaktorer som verktøyets veggavstand og lignende minimaliseres. Vanligvis blir virkningen av veggavstanden redusert ved større avstander, men bare på bekostning av reduserte tellehastigheter. For en sylindrisk detektor med diameter 3,8 cm og lengde 15,2 cm, en annen typisk detektorstørrelse, vil en passende avstand fra akseleratorens target 34 til 19 av fjerndetektorens 18 følsomme volum, skjermet som beskrevet i det følgende, være i størrelsesorden 58-68 cm. Som med nærdetektoren vil den optimale avstand variere i avhengighet av det aktive volums størrelse, detektorens trykk osv.

For større formasjonsfølsomhet blir den epitermiske fjerndetektoren 18 fortrinnsvis anordnet eksentrisk til en side av sonden 10 og orientert mot formasjonen ved hjelp av skjerming. Som vist på figur 3 er skjermen 24 for den epitermiske fjerndetektoren sylindrisk og utstyrt med en sliss 36, idet fjerndetektoren 18 er anordnet i slissen. Skjermen 24 skjermer dermed fjerndetektorens følsomme volum fra nøytroner som faller på den fra den side av sonden som vender mot borehullet, dvs. den side av sonden som vender bort fra formasjonen. Som man vil forstå er virkningen av slik eksentrisk anbringelse og baksideskjerming av fjerndetektoren å minske fjerndetektorens følsomhet for borehullsmiljøet og dermed øke dens følsomhet overfor endringer i formasjonens porøsitet. Den forholdsvis lange avstanden mellom kilden 12 og fjerndetektoren 18 gjør fjerndetektoren 18 forholdsvis ufølsom for kildenøytroner. En ytterligere skjerm 28 kan imidlertid være anordnet mellom nærdetektoren 16 og fjerndetektoren 18 for ytterligere å redusere fjerndetektorens følsomhet for kildenøytroner.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen omgir og skjermer skjermen 28 også den termiske/epitermiske detektorgruppen 17 som er anordnet mellom de epitermiske nær- og fjerndetektorene 16 og 18. Gruppen 17 omfatter et antall, for eksempel 3, forholdsvis små He-3-detektorer 17a, 17b og 17c. Detektorene 17a og 17b er fortrinnsvis innrettet aksialt og ende mot ende i verktøyet 10. Når plassen ikke tillater slik aksial innretting, kan detektorene 17a og 17b være omkretsmessig forskjøvet, men fortrinnsmessig slik at de er symmetrisk anordnet på hver side av verktøyets 10 kontaktlinje med borehullsveggen (eller foringen). I alle fall tilveiebringer detektorene 17a og 17b målinger av nøytronfluksen ved de to detektorstedene. Differansen mellom tellehastighetene ved de to detektorene (eller annen egnet tellehastighet-sammenligning) gir forsterket rommessig oppløsning av porøsitet og andre formasjonsparametre. Dette er særlig nyttig for bestemmelse av tynne lag.

Detektorene 17a og 17b kan være følsomme for enten epitermiske nøytroner eller termiske nøytroner for å tilveiebringe enten en epitermisk porøsitetsmåling eller en termisk porøsitetsmåling. Som vist på figur 4 er de fortrinnsvis anordnet i en aksial sliss 31 i skjermen 28 for å forsterke følsomheten for formasjonen og redusere følsomheten for borehullet.

Den tredje detektoren 17c fortrinnsvis plassert i samme avstand fra kilden 12 som detektoren 17a. Den er også en He-3-nøytrondetektor, men med en annen energifølsomhet enn detektorene 17a og 17b. Hvis derfor detektorene 17a og 17b er epitermiske detektorer, bør detektorn 17c være en termisk detektor, og omvendt. Det epitermiske/termiske fluksforholdet fra de to detektorene 17a og 17c med lik avstand, kan brukes til å frembringe en lokal, utledet måling av formasjonens sigma og for sammenligning mellom epitermiske og termiske porøsitetsmålinger. Det epitermiske/termiske tellehastighets-forholdet kan ventes å øke når formasjonens sigma øker og minske når sigma avtar.

Som vist på figur 4 er detektoren 17c fortrinnsvis omkretsmessig og transversalt forskjøvet fra detektoren 17a, og kan hensiktsmessig være anordnet i den samme slissen 31 som detektorene 17a og 17b.

Arrangementet og konfigurasjonen av He-3-detektorgruppen 17 er vist på figur 1 og 4 på en idealisert, dvs. illustrerende måte, og andre arrangementer og konfigurasjoner kan selvsagt benyttes. Hovedformålet med gruppen er å tilveiebringe forsterket rommessig oppløsning i porøsitetsmålingen, en lokal sigmamåling og en epitermisk/termisk flukssammenligning. De spesielle detektordimensjoner, trykk og avstander fra kilden som anvendes, kan velges etter ønske for å optimalisere deteksj onsytelsen.

Det følsomme volumet til den termiske nøytrondetektoren 20 er lagt lenger fra kilden enn volumet til den epitermiske fjerndetektoren 18, men er fortrinnsvis anordnet så nær fjerndetektoren som praktisk mulig for å maksimalisere tellehastighetene. Som med detektorene 16, 17 og 18, kan posisjonen til den termiske detektoren endres i avhengihet av slike faktorer som dimensjonen på det aktive volum og detektorens trykk. Det følsomme volumet kan være av en hver passende størrelse som er i overenstemmelse med oppnåelse av ønsket tellehastighet-statistikk for eksempel 5,7 cm i diameter og 10,2 cm lang. Den termiske nøytrondetektoren er fortrinnsvis også anordnet eksentrisk i sonden mot sondens formasjonsside.

Som skissert på figur 2 skjermer en skjerm 26 det følsomme volumet til den termiske nøytrondetektoren 20 fra nøytroner som faller inn på den fra den side av sonden som vender mot borehullet, på samme måte som skjermene 24 og 28 skjermer den epitermiske fjerndetektoren 18 og detektorgruppen 17 som antydet ovenfor. Som et resultat av den eksentriske posisjonering og på grunn av skjermingen 26, er den termiske nøytrondetektoren forholdsvis mindre følsom for miljøeffekter i borehullet og dermed forholdsvis mer følsom for endringer i formasjonskarakteristikker, formasjonens makroskopiske innfangningstverrsnitt. Skjermen 26 er fortrinnsvis en tynn, for eksempel tykkelse 0,05 cm, kadiumskjerm som har en buet form med en bue på omkring 180 grader, men andre nøytron-absorberende materialer og andre former kan brukes om ønsket.

Skjermene 22, 24 og 28 kan være laget fra et hvert egnet materiale eller kombinasjoner av materialer som har både nøytronmodererende og nøytronabsorberende egenskaper. En nøytronmoderator er nødvendig for å bremse hurtige nøytroner, for eksempel de som har blitt underkastet få om noen veksel-virkninger for formasjonen, og en nøytronabsorbator er nødvendig for å absorbere termiske nøytroner, for eksempel de som er blitt gjort termiske av det modererende materiale eller av innholdet i borehullet eller formasjonen.

Nøytronabsorbatoren er fortrinnsvis en 1/v-type slik som bor eller lignende, hvor v er nøytronhastighet. Et egnet skjermmateriale er borkarbid (B4C) fordelt i en epoxy-fyllmasse eller et annet hydrogenbindende medium, for eksempel 65 % B4C 4 etter vekt i epoxy. Skjermene 22, 24 og 28 bør hver være tykke nok til å utføre sin oppgave med det valgte skjermmateriale. Hvis for eksempel skjermen 22 er laget av det forannevnte 65 % B4C-epoxymateriale, er en tykkelse på 2,5 cm funnet tilfredsstillende når det gjelder å heve deteksjonsterskeien for lavenergi-nøytroner for nærdetektoren fra 0.5 eV til omkring 10 eV og høyere.

Skjermingsmaterialets funksjon er diskutert mer detaljert nedenfor for under henvisning til utførelsesformen på figurene 8-12. Det samme skjermingsmaterialet er fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, brukt i alle tre skjermene 22, 24, og 28.

Med overvåkningsanordningen 14 for nøytrondetektorene 16, 17, 18 og 2 0 anbragt i korrekt avstand og skjermet på korrekt måte, kan det foretas forbedrede bestemmelser av formasjons-porøsiteten. Siden nærdetektoren 16 som forklart foran, er forholdsvis mindre følsom overfor endringer i porøsitet, men forholdsvis mer følsomhet overfor borehullsmiljø og virkninger av verktøyets veggavstand, og fjerndektoren 18 er forholdsvis mer følsom overfor endringer i porøsitet, kan en forbedret porøsi-tetsbestemmelse foretas ved å bruke enten forholdsteknikken eller, etter normalisering av de individuelle detektor-tellehastigheter ved bruk av intensitetsmåling ved hjelp av nøytron-overvåknings-anordningen, ved hjelp av en kryssplotting av nærdetektorens 16 og fjerndetektorens 18 tellehastigheter. Som nevnt kan utgangene fra gruppe-detektorene 17a, 17b og 17c anvendes til å oppnå porøsitets-målinger med forsterket vertikal oppløsning og også til å frembringe en sammenligning mellom epitermiske og termiske porøsitetsmålinger.

Siden porøsitetsresponsen til den termiske nøytron-detektoren 20 videre er forholdsvis mindre følsom for borehullsdimensjon og virkninger av verktøyets veggavstand enn porøsitetsresponsen til de epitermiske detektorene 16 og 17, kan dens utgang brukes til å utlede en ytterligere porøsitets-måling. En slik porøsitetsmåling ved hjelp av termiske nøytroner kan være av spesiell verdi hvor den termiske detektorresponsen er fri for vesentlig påvirkning av nøytronabsorbatorer i formasjonen og borehullsmiljø. Den termiske detektorutgangen tillater også bestemmelse av det makroskopiske innfangningstverrsnitt 2 og andre inn-fangningskarakteristikker for formasjonen i det samme apparatet med epitermiske porøsitetsmålinger. Når overvåkningsanordningen 14 for nøytroner som beskrevet i det følgende brukes til å detektere innfangnings-gammastråler etter nøytronutbruddene, kan den termiske fjerndetektoren 20 utelates og innfangningstverrsnittet og andre termiske nøytronavhengige parametre ved formasjonen kan tilveiebringes fra overvåkningsanordningens gammastråle-data.

Utgangssignalene fra de epitermiske He-3-detektorene 16, 17 og 18 kan forsterkes og telles på enhver egnet måte for å utlede en tellehastighet (N) for nærdetektoren 16 og en tellehastighet (F) for fjerndetektoren 18. Som vist på figur 5 kan detektorsignalene fra detektorene 16, 17 og 18 mates for å lade følsomme forforsterkere 35 og 37 og deretter til pulsforsterkere 38 og 40, idet spektret til de forsterkede pulser fra hver detektor så blir sendt til en forflanke-diskriminator 42 og 44 hvis utgang driver en tellekrets 46 og 48. Tellekretsutgangene blir tilført en signalbehandlings-krets 50, som kan omfatte en egnet programmert digital datamaskin, mikroprossesor eller en annen databehandlende anordning, for generering av forholdet N/F mellom nærdetektorens tellinger (N) og fjerndetektorens tellinger (F) som en indikator på porøsitet. Denne indikatoren er funnet og være utsatt for forholdsvis små miljømessige effekter (slamkake, borehullsdimensjon osv.) og virkninger av verktøyets veggavstand, og den frembringer dermed en nøyaktig, pålitelig porøsitetsmåling. N/F-forholdssignalet kan leveres på vanlig måte til en registreringsanordning/plotter 52 for registrering som en funksjon av verktøydybde.

Figur 6 viser nær/fjern-forholdsresponsen målt i kalkstenformasjoner med porøsiteter på 0, 13,2 29,3 og 40,6 % med et uforet borehull på 2 0 cm. Som man vil forstå er porøsitetsfølsomheten til N/F-forholdet god over hele området 0 til 41 %.

Om ønsket kan en porøsitetsbestemmelse også foretas ved hjelp av en kryssplotting av tellenastighetene til nærdetektoren og fjerndetektoren, og som man vil forstå, muliggjør kryssplottings-teknikken korreksjon for miljøeffekter.

Figur 7 er en nær/fjern-kryssplotting (N/F-kryssplotting) for porøsiteter fra 0 til 41 % i sandsten, kalksten og dolomitt-formasjoner, og illustrerer virkningen av grunnmasse-endring på kryssplotting. De plottede data er for et 20 cm uforet borehull.

Når kryssplottingsteknikken brukes til å bestemme porøsitet, blir N/F-tellehastighetene først normalisert ved

hjelp av utgangen fra nøytronfluks-overvåkningsanordningen 14. For dette formål blir utgangssignalene fra detektortellerne 46 og 48 hver delt i tellehastighets-utgangssignalet (intensitet, vindu A) fra overvåkningsanordning 14 som antydet på figur 5

ved hjelp av utgangene A/N og A/F fra signalbehandlingskretsen 50. Den måte intensitet-utgangssignalet A blir generert på ved hjelp av overvåkningsanordningen 14 og dens tilhørende kretser (54-60 på figur 5), er beskrevet nedenfor i forbindelse med figurene 13-15.

Den normaliserte tellehastigheten fra fjerndetektoren er også meget porøsitetsfølsom og kan brukes om ønsket, til å utlede porøsitetsinformasjon. Den er imidlertid litt mer følsom for miljøeffekter enn N/F-forholdet, men denne følsomheten kan minskes ved bruk av akseleratorer med høyere styrke sammen med større kilde/detektor-avstander.

Utgangssignalene fra den termiske fjerndetektoren kan likeledes forsterkes, diskrimineres og telles (komponentene 62-68 på figur 5) på samme måte for å tilveiebringe en teller-utgangs-tellehastighet T for den termiske detektoren 20. Dette signalet blir også fortrinnsvis normalisert ved hjelp av overvåkningsanordningens utgangssignal A, og kan brukes til å utlede en måling av formasjonens makroskopiske infangnings-tverrsnitt S. Det kan også brukes, enten alene eller i forbindelse med et eller flere normaliserte epitermiske detektor-tellehastighetssignalene A/N A/F, til å utlede porøsitetsinformasjon eller vurdere virkningen av nøytron-absorbatorer på porøsitetsmålingen. Noen eller alle disse målingene kan lett implementeres i signalbehandlingskretsene 50 på enhver egnet måte.

Utgangen fra hver av detektorene i gruppen 17 blir også forsterket på passende måte, diskriminert og tellet (komponentene 70-76 på figur 5), og disse tellehastighetene Ar 1, Ar2 og Ar3 blir overført til signalbehandlingskretsene 50 på overflaten. For å lette illustrasjonen er kretsene for detektorene 17a, 17b og 17c vist kollektivt på figur 5, men man vil forstå at hver detektor vil ha de passende, individuelle komponenter. På overflaten blir tellehastigheten Ari, Ar2 og Ar3 registrert som en funksjon av verktøydybde. Forskjellen i tellehastigheten mellom detektorene 17a, 17b (Arl-Ar2) kan også dannes og registreres som funksjon av dybden for å tilveiebringe den forannevnte forsterkede rommessige informasjon for større vertikal oppløsning av porøsitetsmålingen. Disse tellenastighetene kan først normaliseres med referanse til utgangssignalet A fra overvåkningsanordningen 14 for å minimalisere virkningene av fluktuasjoner i kildestyrken på de enkelte tellehastigheter Ari og Ar2. Det epitermiske/termiske-forholdet, for eksempel Ari/Ar3, kan også utvikles og registreres som funksjon av dybden som en ytterligere porøsitetsindikator. I tillegg kan en lokal sigma for formasjonen utledes og registreres, som antydet på figur 5.

Når nøytron-overvåkningsanordningen 14 i samsvar med oppfinnelsen skal brukes til å detektere innfangnings-gammastråler etter nøytronutbruddene, er det tilveiebragt en annen kanal 78 (se figur 5) i overvåkningsanordningens utgangs-kretser for å koble detektorens utgangspulser via en forflanke-diskriminator 80 til en tidsmessig flerskalerings-anordning 82. Diskriminatorens 80 terskelnivå er satt til et forholdsvis lavt nivå, for eksempel i området 50 keV (ekvivalent gammastråle-energi) for å forsterke tellehastigheten. Skaleringsanordningen 82 sorterer pulsene i tidsluker og overfører telledata pr. luke GL, hvor i er lukenummer, til overflaten i digitalt format. Et tilstrekkelig antall tidsluker, for eksempel 256, blir fortrinnsvis anvendt til å registrere hele kurven for telling som funksjon av tiden både under og etter hvert nøytronutbrudd, men i det minste under hovedsakelig hele perioden mellom utbruddene. Telledataene GL blir behandlet på overflaten for å utlede formasjonens sigma på enhver egnet måte. For eksempel kan formasjonens sigma bestemmes i samsvar med den teknikk som er beskrevet i U.S. patent nr. 4292518. På grunn av den nære avstanden mellom overvåkningsanordningen 14 og kilden 12, blir en diffusjonskorreksjon fortrinnsvis foretatt i sigmaverdien som er bestemt. Data Gi for innfangnings-gammastråling blir fortrinnsvis korrigert både for dødtid og bakgrunnsstråling. Bakgrunnsmålinger blir fortrinnsvis foretatt under periodisk gjentatte intervaller der nøytronutbruddene undertrykkes, i samsvar med den teknikk som er beskrevet i U.S. patent nr. Re.

28477.

I utførelsesformen på figur 8 er sonden 10 vist opphengt

i et borehull 84 ved hjelp av en kabel 86 for undersøkelse av porøsiteten til en undergrunnsformasjon 88. Borehullet er illustrert som et åpent hull og inneholder et borehulls-fluidium 89. I tilfellet med en ferdigstilt, produserende brønn kan sonden 10 være dimensjonert for bruk gjennom rør, som nevnt foran. De vanlige heise-og dybde-registrerende anordninger (ikke vist) vil også bli benyttet, noe som vil være klart for fagfolk på området. Sonden vil man også forstå omfatter en buefjær eller en annen konvensjonell anordning (se 11 på figur 1) for å presse sonden mot borehullsveggen som vist.

Som i utførelsesformen på figur 1 omfatter sonden 10 en nøytronakselerator 12, en nærliggende nøytrondetektor 16 og en fjerntliggende nøytrondetektor 18. Akseleratoren og detektorene kan være av de typer som er beskrevet i forbindelse med figur 1. Utførelsesformen på figur 8 er ellers hovedsakelig maken til den på figur 1, bortsett fra at detektorgruppen 17 og den termiske detektoren 20 er blitt utelatt.

Elektrisk energi for sonden 10 blir levert over kabelen 86 fra en kraftforsyning (ikke vist) ved overflaten. Man vil forstå at egnede kraftforsyninger (ikke vist) likeledes er tilveiebragt i sonden 10 for å drive detektorene 16 og 18, samt annen elektronikk nede i borehullet.

Detektorene 16 og 18 kan være konvensjonelle, og er fortrinnsvis av den type som er skylt med He-3-gass. Et egnet gasstrykk for oppfinnelsens formål er 10 atmosfærer for nærdetektoren 16 og 15 atmosfærer for fjerndetektoren 18, men disse kan varieres etter ønske for å optimalisere detektorens energirespons. Ifølge et trekk ved oppfinnelsen som er beskrevet nærmere nedenfor, er nærdetektoren 16 omgitt av en ny skjermstruktur for å modifisere nærdetektor-systemets energirespons som et hele (detektor 16 + skjermkonstruksjon) for å gjøre den fremherskende følsom for nøytroner med energier større enn 10-100 eV og over som faller på den direkte fra akseleratoren 12 eller dens umiddelbare nærhet.

Signaler generert av detektorene 16 og 18 og som er representative for det antall nøytroner som detekteres, blir levert på vanlig måte over lederne 90 til forforsterker- og diskriminator-kretser 92, som for eksempel kan omfatte flerkanal-forsterkere, tellekretser og pulshøyde-diskriminatorkretser som vist på figur 5, før de leveres til kabel-drivkretser 94 for overføring til overflaten over kabelen 86.

På overflaten blir signalene mottatt av signal-til-pasningskretser 96 hvor de blir formet eller omdannet på annen måte eller gjenvunnet for ytterligere behandling etter behov, og de blir så levert til en flerkanal-teller eller hastighetsmåler, omfattende en første kanal 98 for fjerndetektorens 18 tellinger og en annen kanal 100 for nærdetektorens 16 tellinger. Tellingene fra de to detektorene blir akkumulert over et ønsket tidsintervall, for eksempel ett eller to sekunder eller mer, som hensiktsmessig kan stå i forhold til loggehastigheten for å frembringe en utgang for hvert dybdeinkrementerende intervall langs borehullet. Tellerkanalene blir så lest ut til en porøsitetskrets 102 hvor en egnet forholdsfunksjon for de to totaltellingene eller tellehastighetene blir dannet som en indikator. Av de grunner som er gitt i det følgende, er denne porøsitetsbestemmelsen følsom for formasjonsporøsiteten over hele porøsitetsområdet fra 0 til 100 p.u. (porøsitetsenheter) som er av interesse ved oljeundersøkelse, der området typisk er fra 0 til omkring 40 p.u. eller høyere.

Som vist på figur 8 er nærdetektoren 16 anbragt nær akseleratoren 12. Med en detektor som har et aktivt (følsomhet) volum på omkring 2,5 cm X 7,6 cm, er for eksempel en senter1inje-avstand fra akseleratorens target i området 15-26 cm blitt funnet egnet. Fjerndetektoren som er større for å oppnå bedre statistikk, for eksempel 2,5 cm X 15 cm, er fortrinnsvis anbragt med sin senterlinje innenfor området 50 cm-66 cm fra akseleratorens target. Begge detektorene kan være innkledd i kadmium for å heve deteksjonssystemets deteksjonsterskier for epitermiske eller høyere energinivåer, eller bare en eller ingen av dem kan være kledd på denne måten. Kadmiumkledningen 104 er illustrert på figur 8 på bare nærdetektoren, og er vist med overdrevet tykkelse for klarhetens skyld. En passende tykkelse er i størrelsesorden 0,05 cm. Når følsomhet overfor termiske nøytroner er ønsket, kan en av eller begge detektorene være uten kledning.

Ifølge oppfinnelsen er nærdetektoren 16 i tillegg omgitt av en ringformet skjerm 106 sammensatt av borkarbid (B4C) i en epoxy-binder eller et annet hydrogen-bindende medium. Skjermen 106 har ringformet tverrsnitt og er dannet med en sentral boring 108 for mottagelse av den kadmiumkledde detektoren 16. Skjermen 106 utfører dermed en dobbelt funksjon, idet den virker både som en nøytronmoderator, på grunn av den hydrogenhoIdige binderen, og som en nøytronabsorbator på grunn av borkarbidet. For dette formål kan egnede innhold av skjermen være omkring 47 volumprosent med B4C og 53 volumprosent bindemiddel.

Resultatet av denne kombinerte skjerming av nærdetektoren er markant reduksjon av nærdetektor-systemets følsomhet for formasjonsporøsiteten. Det vil si at det antall nøytroner som detekteres av nærdetektoren endres meget mindre med porøsiteten enn det antall som detekteres av fjerndetektoren, og virkningen av denne endring av nærdetektorens porøsitets-følsomhet er å forsterke sondens porøsitetsoppløsning. Fjerndetektoren forblir selvsagt fullt ut følsom for porøsitet som før.

Grunnene til endringen av nærdetektor-systemets porøsitetsfølsomhet er todelt. For det første modererer den kombinerte B4C-epoxyskjermen energiene til de nøytroner som faller direkte på detektoren 16 fra kilden 12 til nivåer som lettere kan detekteres av He-3-detektoren 16, og for det andre forskyver den nærdetektor-systemets relative følsomhet mot nøytroner med høyere energi og bort fra nøytroner med lavere energi. Hva dette betyr i praksis er at det signal som frembringes av detektoren 16, har en forholdsvis mindre komponent som indikerer formasjonens karakteristikker og en forholdsvis større komponent som indikerer den opprinnelige nøytronfluks-intensitet fra kilden. Dette kan forstås bedre under henvisning til den følgende beskrivelse av en teoretisk, noe forenklet modell av de viktigste nøytron-vekselvirkninger som inntreffer i området til sonden 10, som antydet skjematisk ved hjelp av nøytronbaner a- e på figur 8.

Akseleratoren kan for det foreliggende formål ansees som en hovedsakelig isotropisk nøytronkilde med nøytroner som stråler ut i alle retninger. Nøytronene som følger baner a- b kan betraktes som representative for de som beveger seg gjennom sonden 10, borehullsfluidet 89 og trer inn i formasjonen 88 mens de underkastes spredningsreaksjoner langs sine banelengder, og som så blir spredt tilbake til sonden i området til nærdetektor-systemet. Slike nøytroner kalles heretter "fjernfelt"-nøytroner (formasjonsnøytroner). På grunn av det energitap som skyldes spredningsreaksjonene er det statistisk mindre sannsynlig at fjernfelt-nøytronene med hell trenger gjennom B4C-epoxy-skjermen 106, og det er mer sannsynlig at de blir absorbert i denne. Nøytroner som spres tilbake fra borehullsinnholdet vil sannsynligvis ha høyere energi enn de som er illustrert ved hjelp av baner a- b og kan derfor trenge gjennom den ytre B4C-epoxyskjermen 106. Disse nøytronene vil sannsynligvis bli moderert slik i energiprosessen at de har en høyere sannsynlighet for å bli absorbert i kadmiumkledningen 104. Dette er illustrert ved banen c på figur 1. Disse nøytronene blir heretter kalt "naerf elt "-nøytroner. Man vil forstå at nøytroner som faller direkte på den ytre skjermen 106, slik som de representert ved banen d, samt andre nøytroner som er underkastet forholdsvis mindre energitap gjennom enten færre hovedspredninger eller mange små spredninger, statistisk vil ha størst sannsynlighet for å passere gjennom begge skjermene 106 og 104 og nå detektorens følsomme volum. I det minste noen vil imidlertid være tilstrekkelig moderert i energi av B4C-epoxyskjermen til å være innenfor He-3-detektorens 16 følsomme område. Disse nøytroner kalles heretter "kilde"-nøytroner.

Den kombinerte virkning av skjermene 106 og 104 er dermed å gjøre nærdetektoren 16 stort sett følsom for nøytroner som bærer liten informasjon fra formasjonen og borehullsmiljøet. Siden spredningen og absorsjonsprosessene som finner sted, er av statistisk natur, vil det selvsagt være en viss overlapping mellom nøytronkategoriene i denne modellen som detekteres, dvs. at de fleste, men ikke alle, fjernfelt-nøytronene som når nærdetektoren, vil stoppes av skjermen og ikke bli tellet. Nærdetektoren vil dermed omfatte en liten porøsitetsfølsomhet. En større, men fremdeles ikke fremherskende andel av de totalt tellede nøytroner vil være nærfelt-nøytroner, og den gjenværende fremherskende kategori av nøytronene som telles vil være kildenøytroner.

Derimot vil nøytroner som når formasjonen 88 langs banen e og som spres tilbake til sonden i området til fjerndetektoren 18, være uhindret av enhver modererende skjerm slik som 106, og vil dermed nå detektorens følsomme volum og bli tellet. Fjerndetektoren forblir derfor fullt ut følsom for formasjonsporøsiteten.

Kadmiumkledningen hever som nevnt detektorenes deteksjonsterskel til epitermisk energi eller høyere, dvs. til 0,5 eV og over. Tykkelsen av B4C-epoxyskjermen 106 kan velges for å tilveiebringe det ønskede terskelnivå for detektoren. Nivået bør hovedsakelig velges ved eller omkring det punkt hvor detektoren er ved den maksimale nominelle effektivitet for deteksjon av kildenøytroner med høyere energi, dvs. ved omkring det energinivå hvor kildenøytronene vil begynne å bli filtrert ut, for eksempel ved minst omkring 10 eV og fortrinnsvis i størrelsesorden 100 eV.

Selv om jevn blanding av det modererende materiale (epoxyharpiks) og det absorberende materiale (B4C) er skissert i utførelsesformen på figur 8, kan det i visse tilfeller være fordelaktig å tilveiebringe separate ringer av forskjellige materialer. I utførelsesformen på figur 9 er således den ytre skjermen vist sammensatt av to ringer, en ytre 110 av et hydrogenholdig materiale slik som polyetylen og den indre 112 av B4C. Skjermingsmaterialene kan også ordnes på andre måter. I utførelsesformen på figur 10 er for eksempel absorbator-materialet, for eksempel B4C, vist anordnet i omkretsmessig adskillte sektorer 114 A, 114 B, 114 C og 114 D med mellomliggende alternerende sektorer 116 A, 116 B, 116 C og 116 D av moderatormaterialet, for eksempel epoxyharpiks. Denne spesielle konstruksjonen er nyttig når det gjelder å redusere detektor.-skjermsystemets følsomhet for den rommessige fordeling av nøytronenergier. Detektorsystemets energirespons kan også endres ved å fjerne kadmiumkledningen eller ved å bruke et annet materiale med et annet energiabsorberende tverrsnitt i kledningen, slik som indium, gadolinium eller sølv.

På en tilsvarende måte er utførelsesformen på figur 11, hvor det modererende materiale eller materialene er anordnet i lag 118 A, 118 B, osv., mellom alternerende aksialt adskilte lag 120 A, 120 B, osv. med absorberende materiale eller materialer, 90 i anvendelser hvor det er ønskelig å trekke fordel av eller kompensere for den aksiale fordeling av nøytroner langs detektorens lengde. Det samme modererende materiale kan brukes over det hele, eller som antydet på figur 11, kan forskjellige typer modererende materialer Mlr M2 osv., og forskjellige typer absorberende materialer Alf A2 osv., anvendes.

Figur 12 illustrerer den forholdsmessige porøsitets-følsomheten til utførelsesformen på figur 8 i forhold til den tidligere kjente porøsitetsteknikk med to detektorer for 14 MeV. Den heltrukne kurven 122 representerer opptegningen av N/F-forholdet som en funksjon av porøsitet i det tidligere kjente apparatet. Som tidligere nevnt viser denne kurven liten om noen porøsitetsrespons over omkring 20 p.u. I sammenligning viser porøsitetsresponsen til N/F-forholdet som er dannet ved å bruke teknikken med skjermet detektor ifølge oppfinnelsen, representert ved den prikkede kurven 124, betydelig endring med porøsitet over hele området opp til og over 40 p.u.

Når det vises til B4C som et element i detektor-skjermingen, vil man forstå at enten B<10> eller B<10->anriket naturlig bor kan brukes. B<10> har det største

absorpsjonstverrsnitt, men en lavere materialkonsentrasjon.

En mulig skjermsammensetning kan derfor være B4C anriket med B<10>. Likeledes kan andre absorbatorer med høyt tverrsnitt og 1/v-karakteristikk brukes, slik som litiumkarbonat i en bindemasse av epoxyharpiks. I dette tilfelle kan Li2C03 med fordel være anriket på L<6>. Likeledes kan andre binde- / materialer enn epoxyharpiks eller hydrogenholdige materialer andre enn polyetylen brukes som moderatorer i samsvar med oppfinnelsen.

I utførelsesformen på figur 13 er overvåkningsanordningen 14 for nøytronkildens intensitet ifølge oppfinnelsen vist i bruk i et mer generalisert loggeverktøy 10. Anbringelsen av verktøyet i borehullet 84 er hovedsakelig den samme som på figur 8, bortsett fra at sonden ikke er anbragt eksentrisk og en slamkake 126 er vist dannet på borehullsveggen.

Som i utførelsesformen på figur 1 er sonden 10 skissert med en nøytronkilde 12, overvåkningsanordningen 14, en nærdetektor 16 og en fjerndetektor 18. De to viste detektorene skal illustrere et typisk detektor-arrangement i en sonde, og sonden kan inneholde bare en eller flere slike detektorer. Detektorene selv kan være av en hver egnet type. Sonden kan også inneholde skjerming som vist på figur 1 og 8, for nøytronkilden og/eller for detektorene.

Nøytronkilden 12 kan være enten en kjemisk kilde eller en akseleratorkilde. Ifølge oppfinnelsen blir imidlertid overvåkningsanordningen for nøytronkildens intensitet brukt med en akseleratorkilde, og er spesielt fordelaktig i forbindelse med monoenergetiske høyenergi-kilder av D-T-typen (14 MeV nøytroner) eller D-D-typen (2,5 MeV nøytroner). For hensiktsmessighets skyld er oppfinnelsen heretter beskrevet i forbindelse med en 14 MeV D-T-akseleratorkilde.

Scintillatoren 3 0 i overvåkningsanordningen 14 er vist ved siden av kilden, men den kan være koaksial med kilden avhengig av konstruksjonsbegrensninger. Det er imidlertid viktig at scintillatoren 30 er anordnet slik i forhold til kilden at scintillatorens respons i det minste under og umiddelbart etter et nøytronutbrudd i tilfelle av pulset drift, domineres av høyenergi-nøytroner som kommer direkte fra kilden, istedenfor spredte nøytroner eller gammastråler med lavere energi. Ved fravær av tung skjerming mellom kilden og scintillatoren, har man funnet at scintillatoren 30 kan være anordnet så langt som 30 cm fra kilden og likevel funksjonere som en detektor for kildenøytroner.

Scintillatoren 30 er også vist i kontakt med fotomultiplikatoren 32. Som man vil forstå kan imidlertid scintillatoren valgfritt kobles til fotomultiplikatoren på enhver egnet måte, for eksempel ved hjelp av lysrør, fiberoptikk eller et system med linser og speil, som vil lede lysblinkene i scintillatoren til fotomultiplikatoren, og den behøver ikke å være fysisk forbundet med denne.

Scintillatoren 30 kan vanligvis omfatte enhver type hydrogen-holdig scintillator, for eksempel væske, plast eller krystall som detekterer scintillasjoner pga fotonrekyl-hendelser. Slike scintillatorer er vanligvis kjent på området som organiske "scintillatorer", og vil her bli omtalt til denne betydning. Egnede organiske scintillatorer omfatter for eksempel NE-213 (væske), NE-102 og NE-162 (plast) og stilben (krystall). Plastscintillatorer er funnet å være særlig fordelaktige. Organiske scintillatorer har meget korte desintegrasjonstider og følgelig kan den maksimale tellehastighet være meget stor, noe som tillater dem å være anbragt forholdsvis nær nøytronkilden. Den nære beliggenheten av scintillatoren til kilden maksimaliserer den nøytronfluksen fra kilden som avskjæres av scintillatoren, og gir derved et høyt signal/støy-forhold i detektorutgangen, og reduserer også overvåkningsanordningens følsomhet for tilbakespredte nøytroner. Som diskutert nærmere nedenfor, bidrar sistnevnte trekk til den iboende forsterkningsstabiliteten til overvåkningsanordningen. Videre er organiske scintillatorer proporsjonale i sin respons på både elektroner og protoner, for eksempel omkring to ganger så stor for elektroner som for fotoner i energiområdet 5-10- MeV, noe som tillater mange lavenergi gammastråle-induserte (Compton-spredning) scintillasjoner og blir skjelnet fra nøytroninduserte (protonrekyl) scintillasjoner av interesse på grunnlag av

pulshøyde.

Hvis høye temperaturer ventes under loggeoperasjoner i borehull, kan scintillatoren anbringes i en termosflaske, eller den kan isoleres termisk på annen måte. Det er imidlertid en fordel ved oppfinnelsen at slik termisk isolasjon kan utelates ved bruk av en passende høytemperatur plastscintillator.

Signalene fra detektorene 16 og 18 og fotomultiplikatoren 32 blir på kjent måte overført med kjent utstyr til et databehandlingssystem på overflaten ved hjelp av isolerte elektriske ledere, ikke vist, anordnet i den armerte kabelen 86. På overflaten blir signalene etter nødvendig foreløpig dekoding, pulsforming, forsterkning eller lignende, tilført signalbehandlingskretser 50 som utfører de ønskede beregninger osv., og tilveiebringer utganger til en plotter/registreringsanordning 52. Antallet viste utganger er bare et eksempel, og det virkelige antall og typer utganger som tilveiebringes vil avhenge av antallet og typen av detektorer i sonden, og typen av informasjon som oppnås. To eksempler på slike signalbehandlingskretser i forbindelse med hvilke overvåkningsanordninger for kildeintensitet ifølge oppfinnelsen anvendes, er beskrevet i forannevnte U.S. patent nr. 4423323 og 4524274.

Mens sonden 10 beveges gjennom borehullet 84, blir en indikasjon på sondens dybde i borehullet frembragt av et dybdebestemmende apparat, generellt antydet med henvisningstall 130, som reagerer på kabelens 86 bevegelse når den vikles av og på en vinsj, ikke vist. Det dybdebestemmende apparatet 130 er koblet til plotteren, registreringsanordningen 152 ved hjelp av en konvensjonell kabelfølgende mekanisk leddanordning 132.

På figur 13 skisserer blokken 134 mer detaljert komponentene 54-60 på figur 5 for behandling av utgangssignalet fra overvåkningsanordningen 14 for det formål å overvåke kildeintensiteten. Signalpulstoget fra fotomulitiplikatoren 32 blir etter vanlig forsterkning og annen behandling (forsterkeren 54 på figur 5), levert til til en første differensiell pulshøyde-diskriminatorkrets 136, og når aktiv forsterkningsstabilisering er ønsket som diskutert nedenfor, til en annen differensiell pulshøyde-diskrimineringskrets 138. Sammen omfatter disse to diskrimi-natorkretsene innholdet av komponent 56 på figur 5. Diskrimi-natorkretsene er vist på figur 13 i elektronikken 134 nede i borehullet, men om ønsket kan de være innbefattet i overflate-elektronikken 128. Hver differensiell pulshøyde-diskriminatorkrets 136 og 138 slipper gjennom signaler som har størrelser, dvs. pulshøyder, innenfor et valgt område og demper alle andre signaler. Plasseringen av disse valgte områdene i forhold til pulshøyde-spekteret til scintilllatoren er diskutert nedenfor i forbindelse med figur 14. De signaler som slippes gjennom av differensiell puls-høyde-diskriminatorkretsene 136 og 138 blir levert til henholdvis første og andre tellerkretser og 140 og 142, som genererer utgangssignaler N1 og N2 som indikerer antall nøytronvekselvirkninger som detekteres av scintillatoren 30 (over en tidsperiode av spesifisert varighet) innenfor de energiområder som er tilordnet de respektive diskriminator-kretser. Tellerne 140 og 142 omfatter komponenten 58 på figur 5.

Som forklart i det følgende er utgangssignalet fra tellerkretsen 140 proporsjonalt med det antall 14 MeV-nøytroner som utsendes av nøytronkilden 12, eller med andre ord med nøytronkildens intensitet. Dette signalet blir fortrinnsvis sendt over kabelen 86 til signalbehandlingskretsene 50 på overflaten og blir registrert av plotteren 52 som et mål på nøytronkildens intensitet.

Utgangssignalene fra den første tellerkretsen 140 og den andre tellerkretsen 142 blir også levert til en forsterknings-stabiliseringskrets 60 (figur 5 og 13). Forsterknings-stabiliseringskretsen danner forholdet mellom utgangssignal H^-fra tellerkretsen 140 og utgangssignal N2 fra tellerkretsen 142, dvs. N1/N2, og utleder på konvensjonell måte et styresignal for høyspennings-forsyningen 144 til fotomultiplikatoren 32 basert på en sammenligning av dette

forholdet med en konstant referanseverdi. Forsterkning-stabiliseringskretsen styrer så høyspennings-forsyningen igjen på kjent måte, for å øke eller minske fotomultiplikatorens forsterkning etter behov for å opprettholde forholdet ved referanseverdien.

På grunn av den iboende forsterkningsstabiliteten til overvåkningsanordningen ifølge oppfinnelsen, som beskrevet detaljert nedenfor, er aktiv forsterkningskompensering unødvendig i mange anvendelser. I en slik situasjon trengs bare den første differensielle puls/høyde-diskriminatorkretsen 136 og den første tellerkretsen 14 0 for å overvåke nøytronkildens intensitet, og hele den aktive forsterknings-stabiliseringskretsen innbefattet diskriminatorkretsen 138, den andre tellerkretsen 142 og forsterknings-stabiliseringskretsen 60 er unødvendige og kan elimineres.

På figur 14 er tellehastigheten plottet på den vertikale aksen, og pulshøyden (protonrekyl-energi for kurve 146 og Compton-elektronenergi for kurve 148) er plottet på den horisontale aksen. Den kurve som er betegnet med henvisningstallet 146, er en kurve over et observert scintillator-pulshøydespektrum for nøytroninduserte protonrekyl-hendelser i en nøytronstyrt væske-scintillator av type NE-213 med dimensjon 1,9 cm X 1,9 cm. Kilden var en 14 MeV D-T-akselerator.

Kurven som er betegnet med henvisningstallet 148 er en kurve over et observert puls/høyde-spektrum for en scintillator for gammastråle-induserte Compton-elektronhendelser i den samme scintillatoren, men portstyrt for gammastråler. Det totale pulshøyde-spekteret for scintillatoren blir oppnådd ved å addere kurvene 146 og 148. Kurvene 146 og 148 ble oppnådd ved å anbringe scintillatoren omkring 4,6 cm fra target i en nøytronkilde av typen D-T-akselerator. En pulsform-diskriminator ble brukt til å separere de nøytronindueserte hendelser fra de gammastråle-induserte hendelser. Ettersom sammensetningen av NE-213 er av liknende type som plast, kan kurvene på figur 14 tas som representative for plastscintillator-spekteret også.

Som sagt er kurvene 146 hovedsakelig et pulshøyde-spektrum for rekylprotoner, med den tilsvarende protonrekyl-energi vist langs den horisontale aksen. Fordi nøytron/proton-spredning er hovedsakelig isptropisk i massesenter-systemet ved de energier som gjelder på figur 14, er det uforvrengte pulshøyde-spektret for protonrekyler av rektangulær form. Det observerte pulshøyde-spektret er imidlertid ikke-rektangulært på grunn av innvirkningen av flere faktorer, innbefattet multippel nøytronspredning, unnslipping av rekylprotoner fra scintillatorvolumet, ikke-lineær lysrespons i scintillatoren/fotomultiplikatoren og oppløsningsfunksjonen til utstyret. Kurven 146 har hovedsakelig to partier, et første parti som forblir hovedsakelig flatt eller avtar svakt ved høyere energier, dvs. energier fra diskriminatorens terskelverdi ved omkring 3-4MeV opp til 12-14MeV, ettersom energien øker, og et annet parti som avtar ganske hurtig ved enda høyere energier, dvs. energier over 13-14MeV når energien øker.

Som det fremgår av figur 14 er det nøytroninduserte spektret 146 meget høyere, vanligvis med minst to størrelsesordener, enn det gammastråle-induserte spekteret 148. Derfor har det totale pulshøyde-spekteret for scintillatoren som er oppnådd ved å addere disse kurvene, hovedsakelig samme form som kurven 146 i det området som er av interesse: 10 MeV eller større protonrekyl-energi.

Henvisningstallet 150 betegner området, dvs. pulshøyde-intervallet eller vinduet, til de signaler som slippes igjennom av den første differensielle pulshøyde-diskriminatorkretsen 136, og henvisningstallet 152 betegner det signalområdet som slippes gjennom av den annen differensielle pulshøyde-diskriminatorkrets 138. Pulshøyde-intervallet 150 er valgt slik at det er i høyenergi-seksjonen av det planparti av kurven 146, hvor virkningene av 14 MeV-nøytroner dominerer, og hvor, som diskutert mer detaljert nedenfor, virkningene av spredte nøytroner med lavere energi og gammastråler er ubetydelige. Vinduet 150 bør være bredt nok til å tilveiebringe tilstrekkelig høye tellehastigheter

for tilfredsstillende statistisk nøyaktighet.

Som illustrert på figur 14 er pulshøyde-vindu 150 fortrinnsvis valgt slik at signaler som skyldes protonrekyl-energier større enn omkring 10 MeV, blir sluppet igjennom. I dette området vil ikke virkningene av spredte nøytroner med lavere energi og gammastråler i særlig grad påvirke tellehastigheten som skyldes 14 MeV nøytroner når det totale pulshøyde-spekteret for scintillatoren blir målt, hvilket selvsagt er det som måles av overvåkningsanordningen under normal drift. Spredte nøytroner med lav energi påvirker ikke i særlig grad tellehastigheten, fordi scintillatoren 30 er anbragt tilstrekkelig nær kilden til at mesteparten av de nøytroner som når scintillatoren, er kildenøytroner, dvs. direkte innfallende på denne fra kilden og ikke tilbakespredte, og fordi diskriminatoren 136 blokkerer pulser som skyldes spredte nøytroner med lavere energi. Likeledes påvirker ikke gammastråler i særlig grad tellehastigheten under perioden med rekylnøytron-produksjon fordi diskriminatoren 136 blokkerer pulser som skyldes gammastråler med lavere energi og fordi den lille scintillatorstørrelsen hovedsakelig eliminerer virkningene av gammastråler med høyere energi. Vinduet 150 slipper derfor effektivt gjennom signaler som er indusert hovedsakelig bare av kildenøytroner med høyere energi. De signaler som slippes gjennom av vinduet 150 og telles av tellekretsen 140 er følgelig proporsjonale med og hovedsakelig representative for 14 MeV- nøytronkildens intensitet.

I tillegg til å anbringe energivinduet 150 høyt nok i pulshøyde-spekteret til å eliminere protoner og gammastråler med lav energi som beskrevet ovenfor, blir følgende prosedyre fortrinnsvis fulgt ved innstilling av vinduet 150. Først blir pulshøyde-spekteret akkumulert. Deretter blir under henvisning til figur 15, grensene X1 og X2 for energivinduet 150 fortrinnsvis innstilt slik at de i det vesentlige tilfredsstiller følgende forhold:

hvor:

N er det totale antall tellinger i vindu 152;

g er endringen fra g=l i forsterkning g for spekteret;

N er endringen i N med g;

X3 er X-aksens skjæring med den lineære tilnærmelsen 154 til formen av spekteret 156 i vindusområdet 150; og

Xavg er ( X1 + X2)/2.

For det tredje bør X1 og X2 være i det lineære området av spekteret 156. Om nødvendig eller ønskelig kan scintillator-størrelsen modifiseres for å gi den ønskede spektrumform.

I den grad virkningene av gammastråler med både høyere og lavere energi i det vesentlige elimineres i en overvåknings-anordning for en nøytronkildes intensitet ifølge oppfinnelsen, er en pulsform-diskriminator som er kompleks og forholdsvis langsom, unødvendig.

Pulshøyde-intervallet 152 for den annen differensielle pulshøyde-diskriminatorkrets 138 er fortrinnsvis valgt slik at det er ved eller høyere enn kneet på kurven 146, hvor kurven avtar markert når energien øker. Med vinduet 152 valgt på denne måten vil, hvis overvåkningssystemets forsterkning endres, kurven 146 forskyves betydelig og tellehastigheten vil endre seg tilsvarende. Hvis høyspenningen øker, vil kurven forskyves til høyre og tellehastigheten i vinduet vil øke. Hvis høyspenningen avtar, vil kurven forskyves til venstre og tellehastigheten i vinduet vil avta. Følgelig er tellehastigheten N2 i vinduet 152 følsom for fluktuasjoner i forsterkning, og kan brukes, fortrinnsvis i forbindelse med tellehastigheten N2 som beskrevet ovenfor, til forsterknings-styring.

Som antydet tidligere vil aktiv forsterkningsstabilisering være unødvendig i mange anvendelser, og i så fall kan den annen differensielle pulshøyde-diskriminatorkrets 138, den annen tellekrets 142 og forsterknings-stabilisator-kretsen 60 elimineres. Aktiv forsterkningsstabilisering vil være unødvendig for eksempel når den iboende forsterkningsstabiliteten til overvåkningssystemet, dvs. forsterknings-endringer av første orden, eks. 10 - 20%, bare forårsaker endringer av annen orden, dvs 1-2%, i den målte kildeintensitet, noe som tilveiebringer akseptabel nøyaktighet.

For å oppnå denne iboende stabilitet må scintillatoren for det første være dimensjonert for å minimalisere gammastråle-induserte hendelser (Compton-spredning), og for det andre for å maksimalisere rekylproton-induserte hendelser i energiområdet som er av interesse. I tilfelle med en 14 MeV D-T-akselerator hvor pulshøyde-vinduet 150 er satt ved lOMeV og over, bør scin-tillatorstørrelsen derfor være valgt for å minimalisere det antall Compton-elektronhendelser innenfor scintillatoren som ville frembringe lyspuls-størrelser sammenlignbare med de som frembringes av rekylprotoner med lOMeV og over. Elektronenergi-tap i en scintillator er omkring 2MeV/g/c<3>. En typisk plastscintillator kan ha en densitet på omkring lg/cm<3>, slik at i en plastscintillator vil elektronenergi-tapet være omkring 2MeV/cm. Ved de energier som er av interesse her, er imidlertid den lysutgang som frembringes i scintillatoren av et elektronenergi-tap omkring to ganger det som frembringes av en hendelse med rekylproton-energitap. Dermed vil et elektron ved 5MeV resultere i omkring den samme scintillatorutgang som et proton ved lOMeV.

For et energivindu 150 som begynner ved lOMeV, må følgelig det antall energitap-hendelser for elektroner med 5MeV og over holdes lite. Og ettersom elektron-energitapet er omkring 2MeV/cm i en plastscintillator, er den øvre grense for størrelser av scintillatoren i enhver dimensjon her referert til som den "karakteristiske dimensjon", tilnærmet 2,5 cm for en volumetrisk øvre grense på omkring 16 cm<3>. En egnet karakteristisk dimensjon for de organiske scintillatorer som er nevnt her, når de brukes til å detektere kildenøytroner ved 14MeV, er funnet å være i størrelsesorden 1,3 cm, eller 1,9 cm. Dette valget av scintillatorstørrelse stemmer både når det gjelder å sørge for iboende forsterkningstabilisering og tilstrekkelig høye tellehastigheter for god statistisk nøyaktighet.

Hvis lavere energivinduer brukes, noe som vil være tilfelle for en 2,5MeV D-D-akselerator for eksempel, må scintillatoren være mindre fordi mange flere elektroner med lavere energi ville tape all sin energi i et krystall på 2,5 cm. Dessuten er forholdet mellom lysutgang pr. energitap mindre gunstig ved lavere energier, slik at elektronhendelser ved en gitt energi opptrer som rekylproton (neutronindusert) hendelse ved mer enn 2 ganger elektronenergien.

Med scintillatoren dimensjonert på riktig måte vil gammastråle-induserte signaler ved høyere energi bli hovedsakelig eliminert siden Compton-elektroner frembrakt i scintillatoren vil unnslippe ved scintillatoren og ikke frembringe signaler, mens rekylprotoner frembrakt i scintillatoren av kildenøytroner vil produsere signaler som plukkes opp av fotomultiplikatoren. Det resulterende pulshøyde-spekteret for scintillatoren vil være maken til kurven 146 på fig. 14. Scintillatoren bør også være anbrakt slik i forhold til nøytronkilden at mesteparten av de nøytroner som når scintillatoren, kommer direkte fra nøytronkilden og ikke er spredte nøytroner med lavere energi. Hvis disse betingelsene oppfylles (scintillatorstørrelse og anbringelse i forhold til kilden) og hvis pulshøyde-vinduet 150 velges som antydet ovenfor, dvs. slik at virkningene av spredte nøytroner med lavere energi og gammastråler med lavere energi er ubetydelige, er resultatet en enkel overvåkningsanordning for en nøytronkildes intensitet som har iboende forsterkningsstabilitet.

Selv om overvåkningsanordningen for nøytronkilden ifølge oppfinnelsen her er blitt beskrevet i forbindelse med et borehull-loggeapparat, vil man forstå at den også kan brukes i andre anvendelser hvor nøytronkilder med høy energi benyttes.

Claims

1. Brønnloggeverktøy for undersøkelse av en grunnformasjon som omgir et borehull, karakterisert ved : en nøytronkilde (12) av akseleratortypen som omfatter en hovedsakelig monoenergetisk D-T-kilde for 14-MeV nøytroner; en nøytronkilde-overvåkende anordning (14) som reagerer hovedsakelig på umodererte nøytroner som faller på den direkte fra nøytronkilden (12) for å overvåke dennes utgang, idet overvåkningsahordningens (14) følsomme volum er anbragt utenfor, men tett inntil nøytronkilden (12); en første nøytrondetekterende anordning (16) for å detektere epitermiske nøytroner, hvilken deteksjonsanordning (16) omfatter et følsomt volum i avstand fra akseleratorkilden (12) og hovedsakelig ufølsomt for nøytroner med energier under omkring 0,5 eV, idet den første nøytrondetekterende anordnings (16) følsomme volum er anordnet nær nøytronkilden (12) uten mellomliggende skjerming med høy tetthet; en første skjermanordning (22) med både nøytron-modererende og nøytronabsorberende egenskaper for å skjerme det følsomme volum av den første nøytrondetekterende anordning (16) slik at deteksjonsterskelen for nøytroner med lave energier økes til minst omkring 10 eV; en annen nøytrondetekterende anordning (18) for å detektere epitermiske nøytroner, idet denne deteksjonsanordningen omfatter et følsomt volum anbragt lenger fra akseleratorkilden (12) enn det følsomme volumet til den første nøytron-detekterende anordning (16), og eksentrisk anbragt mot en side av brønnloggeverktøyet (10), idet den annen nøytron-detekterende anordning (18) er hovedsakelig ufølsom for nøytroner med energier under omkring 0,5 eV; en annen skjermanordning (24) med både nøytronmodererende og nøytronabsorberende egenskaper for å skjerme det følsomme volumet til den annen nøytrondetekterende anordning (18) fra nøytroner som faller på denne fra en side som vender bort fra nevnte ene side av brønnloggeverktøyet (10) .

2. Brønnloggeverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den første skjermanordning (22) er hovedsakelig ringformet og er anordnet omkring den første nøytrondetekterende anordning (16) og omfatter et hydrogenmateriale som modererer nøytroner og har et nøytronabsorberende materiale iblandet.

3. Brønnloggeverktøy ifølge krav 2, karakterisert ved at det nøytronabsorberende materiale er borkarbid.

4. Brønnloggeverktøy ifølge krav l, karakterisert ved en tredje skjermanordning (28) anbragt mellom den første nøytrondetekterende anordning (16) og den annen nøytrondetekterende anordning (18), og som omfatter et hydrogenholdig materiale som modererer nøytroner og har et nøytronabsorberende materiale dispergert i seg.

5. Brønnloggeverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at overvåkningsanordningen (14) for nøytronkilden omfatter en organisk scintillator (30) som omfatter det følsomme volum og en fotomultiplikator (32), idet scintillatoren (30) og fotomultiplikatoren (32) er optisk forbundet.

6. Brønnloggeverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den første og den annen nøytrondetekterende anordning (16, 18) hver omfatter en <3>He-proporsjonalteller dekket med et tynt kadmiumlag.

7. Brønnloggeverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved en anordning (50) for å utlede en enkel indikasjon på forholdet mellom utgangssignalet fra den første nøytrondetekterende anordning (16) og utgangssignalet fra den annen nøytrondetekterende anordning (18) som en indikasjon på formasjonens porøsitet.

8. Brønnloggeverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved en anordning (100) for å utlede et første forholdssignal som indikerer forholdet mellom utgangssignalet fra overvåkningsanordningen (14) for nøytron-kilden (12) og utgangssignalet fra den første nøytrondetek-terende anordning (16) , og en anordning (98) for å utlede et annet forholdssignal som indikererer forholdet mellom utgangssignalet fra overvåkningsanordningen (14) og utgangssignalet fra den andre nøytrondetekterende anordning (18).

9. Brønnloggeverktøy ifølge krav 8, karakterisert ved en anordning (102) for å kombinere det første og det annet forholdssignal for å utlede et signal som indikerer formasjonens porøsitet.

10. Brønnloggeverktøy ifølge krav 5, karakterisert ved at fotomultiplikatoren (32) frembringer signaler som er representative for energiene til de rekylprotoner som frembringes av detekterte nøytroner, samt en første pulshøyde-diskriminatoranordning (56) koblet til fotomultiplikatoren (32) for å slippe gjennom utgangssignaler fra denne som har størrelse svarende til et område av pulshøyde-spekteret for scintillatoren (30) som befinner seg i det flate området av spekteret og tilstrekkelig høyt i dette til å eliminere scintillatorutgangssignaler frembragt av tilbakespredte nøytroner og av gammastråler, samt en anordning (58) for å telle de signaler som slippes gjennom av den første pulshøyde-diskriminatoranordningen (56) som en indikasjon på nøytronkildens (12) intensitet.

11. Brønnloggeverktøy ifølge krav 10, karakterisert ved en annen pulshøyde-diskriminatoranordning (80) koblet til fotomultiplikatoren (32) for å slippe gjennom utgangssignaler fra denne som har størrelse svarende til et område av pulshøyde-spekteret beliggende i et forholdsvis hurtig varierende område av spekteret over dettes flate område, en anordning (82) for å telle de signaler som slippes gjennom den annen pulshøyde-diskriminatoranordning (80) , samt en forsterJcnings-stabilisatoranordning (60) koblet til den første telleanordning (58) for å ta et forhold mellom tellehastighetene fra de respektive spektrumområder og for å utlede et forsterknings-kompensasjonssignal for å opprettholde forholdet på en hovedsakelig konstant verdi.

12. Brønnloggeverktøy ifølge krav 5, karakterisert ved at overvåkningsanordningen (14) for nøytronkilden (12) videre omfatter en anordning (78) koblet til fotomultiplikatoren (32) for å måle, som en funksjon av tiden under perioder hvor nøytronkilden (12) ikke er i drift, intensiteten av innfangnings-gammastråler i formasjonen som omgir verktøyet (10) , og en anordning (50) for å behandle intensitetsmålingene for å utlede et mål for grunn-formas jonens termiske nøytroninnfangnings-tverrsnitt.

13. Brønnloggeverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved en anordning (17) som definerer en gruppe med nøytrondetektorer anordnet mellom de følsomme volumene til den første og den annen nøytrondetektor (16, 18) for å detektere nøytronfluksen i formasjonen som omgir borehullet ved minst to forskjellige aksialt adskilte punkter fra nøytronkilden (12).

14. Brønnloggeverktøy ifølge krav 13, karakterisert ved at detektorgruppen (17) for å bestemme nøytronfluksen ved minst to punkter, omfatter to detektorer (17a, 17b) med hovedsakelig samme nøytronenergi-følsomhet, og ved at detektorgruppen videre omfatter en tredje nøytrondetektor (17c) med en nøytronfølsomhet betydelig forskjellig fra den til de to andre detektorene (17a, 17b).

15. Overvåkningsanordning for en nøytronkilde for overvåkning av utgangen fra en nøytronkilde (12) med høy energi, karakterisert ved en organisk scintillator (30) for å detektere nøytroner med høy energi som faller på denne hovedsakelig direkte fra nøytronkilden (12), og for å frembringe utgangssignaler som funksjon av de innfalne energier, idet scintillatoren (30) har en karakteristisk detektordimensjon som er stor i forhold til det midlere området av rekylprotoner som frembringes i scintillatoren (30) av nøytroner med hovedsakelig kildestyrke og liten i forhold til det midlere området av de Compton-sprednings-elektroner som frembringes i scintillatoren (30), som ville opptre for scintillatoren (30) med energier innenfor energiområdet til rekylprotonene; en fotomultiplikator (32) som er optisk koblet til scintillatoren (30) og reagerer på utgangssignalene fra denne ved å frembringe signaler som er representative for energiene til de rekylprotoner som frembringes av detekterte nøytroner; en første pulshøyde-diskriminator (136) koblet til fotomultiplikatoren (32) for å slippe gjennom utgangssignaler med størrelse svarende til et område av pulshøyde-spektret som befinner seg i det flate området av scintillatorens (30) spektrum og- tilstrekkelig høyt i dette til å eliminere scintillatorutgangssignaler som frembringes av tilbakespredte nøytroner og av gammastråler, en anordning (140) for å telle de signaler som slippes gjennom av den første pulshøyde-diskriminatoren (136) som en indikasjon på nøytronkildens (12) intensitet.

16. Overvåkningsanordning ifølge krav 15, karakterisert ved at nøytronkilden (12) er en hovedsakelig monoenergetisk D-T-kilde for.14 MeV nøytroner, og området for de signaler som slippes gjennom av den første pulshøyde-diskriminatoren (136) svarer til et område av pulshøyde-spekteret anbragt over omkring 10 MeV.

17. Overvåkningsanordning ifølge krav 15, karakterisert ved at scintillatoren (30) omfatter en organisk plastscintillator.

18. Overvåkningsanordning ifølge krav 15, karakterisert ved en annen pulshøyde-diskriminator (138) koblet til fotomultiplikatoren (32) for å slippe gjennom utgangssignaler med størrelser svarende til et område av pulshøyde-spekteret beliggende i et forholdsmessig hurtig varierende område av spekteret over nevnte flate område, en anordning (142) for å telle de signaler som slippes gjennom av den annen pulshøyde-diskriminator (138), og en forsterknings-stabilisatoranordning (60) koblet til den første og annen telleanordning (140, 142) for å ta et forhold mellom tellehastighetene fra de respektive spektrumområder og for å utlede et forsterkningskompenserende signal slik at forholdet opprettholdes ved en hovedsakelig konstant verdi.