NO20111739A1 - Materialer til bruk som strukturelle noytronmoderatorer i bronnloggingsverktoy - Google Patents

Abstract

Instrument for å utføre målinger nedihulls, som inkluderer: en nøytronkilde; og et nøytronmodererende materiale som utviser høy trykkfasthet og høy ytelse for moderering av og avskjerming mot nøytroner, der avskjermingen er anordnet nær ved nøytronkilden. En fremgangsmåte for å tilvirke instrumentet er også tilveiebragt.

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER OG PRIORITETSKRAV

Denne søknaden tar prioritet, i medhold av 35 U.S.C. § 119(e), fra den foreløpige US-søknaden 61/221,128 med tittelen "MATERIALS FOR USE AS

STRUCTURAL NEUTRON MODERATORS IN WELL LOGGING TOOLS",

innlevert 29. juni 2009, som inntas her som referanse i sin helhet.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Oppfinnelsens område

[0001] Oppfinnelsen som beskrives her vedrører leting etter olje og gass, og spesielt strukturelle materialer for bruk i nedihullsverktøy som omfatter en nøytron-kilde.

2. Beskrivelse av beslektet teknikk

[0002] Ved leting etter olje og gass er det nødvendig å bore et borehull inn i jorden. Selv om boring av borehullet gjør det mulig for enkeltpersoner og bedrifter å evaluere undergrunnsmaterialer og utvinne ønskede hydrokarboner, møtes mange problemer.

[0003] For eksempel innebærer bruk av kjerneinstrumenter betydelige sikkerhets-hensyn for ansatte. Nærmere bestemt, bortsett fra byrden med å måtte følge regelverk som styrer håndteringen ioniserende strålingskilder, blir mannskap som jobber med gjennomføring av brønnloggingsoperasjoner ofte bedt om å håndtere radioaktive kilder som kan medføre uheldige skadevirkninger dersom en ikke er veldig forsiktig. Ett eksempel er et loggeinstrument som anvender en nøytronkilde. Nøytronkilden er typisk forholdsvis kraftig. Produsenter av kjerneinstrumenter er således nødt til å innlemme avskjerming for å beskytte personell og for å sikre integriteten til datasignaler.

[0004] Nøytronskjold er mest effektive når de inneholder en høy tetthet av hydrogen. Dette gir en effektiv moderering av nøytroner og reduksjon av nøytron-energier til nivåer der de kan absorberes på en effektiv måte. Typiske materialer omfatter polyetylen eller polystyren (polymerer). Andre moderatorer omfatter aluminium, beryllium og karbon. Disse sistnevnte materialene er imidlertid mye mindre virkningsfulle. Betrakt at energien til et nøytron kan reduseres fra 2 MeV til en termisk energi (omtrent 0,025 eV) som følge av en spredningshendelse med en hydrogenkjerne. Dette resulterer i et gjennomsnitt på omtrent 20 spredningshendelser for å termalisere et nøytron med en energi på 2 MeV, mens karbon krever i gjennomsnitt 192 spredningshendelser og beryllium i gjennomsnitt 87 spredningshendelser. Det er derfor ønskelig å ha en så høy hydrogentetthet som mulig i et loggeverktøy der nøytronavskjerming er påkrevet.

[0005] Betrakt videre at volumet tilgjengelig for avskjerming er begrenset i logge-verktøy fordi slike verktøy må være strukturelt robuste. I kabelførte utførelser har verktøyet en liten diameter, men må være i stand til å støtte andre loggeverktøy som er opphengt nedenfor det. I logging-under-boring-(LWD)-utførelser har vektrørene typisk en mye større diameter, men inneholder også en slamkanal, noe som begrenser volumet av strukturelt materiale tilgjengelig for støtte av borestrengen. De strukturelle kravene til en LWD-utførelse er imidlertid mye høyere enn de til en kabelført utførelse fordi vektrørene er nødt til å tåle boreoperasjonen. Polymerer er normalt ikke i stand til å stå imot belastningene på de strukturelle materialene i disse tilfellene. Polymerer, spesielt polyetylen, tåler ikke de maksimale temperaturene i et loggeverktøy. Dette skaper et behov for strukturelle materialer som også er i stand til å sørge for effektiv moderering av og avskjerming mot nøytroner.

[0006] Det foreligger derfor et behov for materialer egnet for bruk i et nedihullsmiljø, der materialene gir en god avskjerming mot nøytroner. Materialene må inneha høy strukturell styrke slik at de kan bli anvendt i strukturelle komponenter i et borestrengført eller kabelført loggeverktøy.

KORT OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0007] I en utførelsesform omfatter oppfinnelsen et instrument for å utføre målinger nede i borehull, der instrumentet omfatter: en nøytronkilde; og et nøytronmoderatormateriale som utviser høy trykkfasthet og høy ytelse i moderering av og avskjerming mot nøytroner, der moderatoren er anordnet nær ved nøytronkilden.

[0008] I en annen utførelsesform omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for å tilvirke et nedihullsverktøy som omfatter en nøytronkilde, som omfatter å: anordne nøytronkilden i verktøyet; anordne minst én føler eller sensor i verktøyet; og anordne et nøytronavskjermende materiale som utviser høy trykkfasthet og høy ytelse i moderering av nøytroner relativt minst én av nøytronkilden og den minst ene føleren eller sensoren.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0009] Gjenstanden, som anses som oppfinnelsen, er spesifikt angitt og krevet beskyttelse for i kravene som følger beskrivelsen. De ovennevnte og andre trekk og fordeler med oppfinnelsen vil tydeliggjøres av den følgende detaljerte beskrivelsen sett sammen med de vedlagte tegningene, der:

[0010] Figur 1 illustrerer et eksempel på utførelse av en borestreng som omfatter et loggeinstrument;

[0011] Figur 2 illustrerer et eksempel på utførelse for brønnlogging med et instrument utplassert på en kabel;

[0012] Figur 3 viser et eksempel på system som beskriver oppbygningen til den strukturelle nøytronmoderatoren;

[0013] Figur 4 viser et testoppsett for evaluering av formuleringer av den strukturelle nøytronmoderatoren;

[0014] Figurene 5 og 6 er grafer som viser sammenlikningsdata for nøytron-moderering av forskjellige materialer;

[0015] Figur 7 viser målt nøytronfluks for forskjellige typer materialer;

[0016] Figurene 8A til 8E, kollektivt henvist til her som figur 8, viser en utførelsesform for bruk av den strukturelle nøytronmoderatoren og forskjellige utforminger av denne;

[0017] Figurene 9A og 9B, kollektivt henvist til her som figur 9, viser en annen utførelsesform for bruk av den strukturelle nøytronmoderatoren anvendt i en borestreng, der illustrasjonene omfatter henholdsvis et sideriss og et tverrsnitt; og

[0018] Figur 10 viser en annen utførelsesform for bruk av den strukturelle nøytron-moderatoren anvendt i et kabelført loggeinstrument.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0019] Det beskrives her fremgangsmåter og anordninger og sammensetninger for å tilveiebringe strukturelle materialer i et nedihulls-instrument, der materialene også gir en effektiv moderering av og avskjerming mot nøytronen. Som en illustrasjon er aspekter ved utstyr der materialene kan bli anvendt illustrert i figurene 1 og 2.

[0020] Figur 1 viser aspekter ved en anordning for å bore et brønnhull 1 (også omtalt som et "borehull"). Som en konvensjon er dypet i brønnhullet 1 beskrevet langs en Z-akse, mens et tverrsnitt er vist i et plan definert av en X-akse og en Y-akse.

[0021] I dette eksempelet blir brønnhullet 1 boret inn i grunnen 2 ved hjelp av en borestreng 11 drevet av en borerigg (ikke vist) som, blant annet, tilveiebringer rotasjonsenergi og nedoverrettet kraft. Brønnhullet 1 blir boret gjennom undergrunnsmateriale, som kan omfatter forskjellige formasjoner 3 (vist som formasjoner 3 A, 3B, 3C). Fagmannen vil vite at de forskjellige geologiske trekkene som kan møtes i et undergrunnsmiljø gjerne omtales som "formasjoner", og at samlingen av materiale nedover i borehullet (dvs. nedihulls) gjerne omtales som "undergrunnsmateriale". Nærmere bestemt utgjøres formasjonene 3 av undergrunnsmateriale. Det skal således forstås at betegnelsen "formasjon", som den anvendes her, generelt henviser til geologiske formasjoner, og at "undergrunnsmateriale" omfatter hvilke som helst materialer, og kan omfatte materialer så som fluider, gasser, væsker og liknende.

[0022] Borestrengen 11 omfatter lengder av borerør 12 som driver en borkrone 14.1 dette eksempelet forsyner borkronen 14 også en strømning av et borefluid 4, så som boreslam. Borefluidet 4 blir typisk pumpet til borkronen 14 gjennom borerøret 12, der fluidet strømmer ut i brønnhullet 1. Dette resulterer i en oppover-rettet strømning av borefluid 4 inne i brønnhullet 1. Den oppoverrettede strømningen tjener i alminnelighet til å kjøle borestrengen 11 og komponenter i denne, føre vekk borespon fra borkronen 14 og hindre utblåsning av trykksatte hydrokarboner 5.

[0023] Borefluidet 4 (også omtalt som "boreslam") inneholder som regel en blanding av væsker, så som vann, borefluid, slam, olje, gasser og formasjons-fluider som kan forekomme naturlig i miljøet. Selv om borefluid 4 kan bli tilført for boreoperasjoner, er bruk eller tilstedeværelse av borefluidet 4 hverken nødvendig for eller nødvendigvis til hinder for brønnloggingsoperasjoner. Normalt vil det ligge et lag av materiale mellom den utvendige overflaten av borestrengen 11 og veggen i brønnhullet 1. Dette laget omtales som et "standoff-lag" og har en tykkelse, omtalt som "standoff, S".

[0024] Borestrengen 11 inneholder ofte utstyr for å utføre "måling-under-boring"

(MWD), også omtalt som "logging-under-boring" (LWD). Utførelse av MWD- eller LWD-operasjoner krever i alminnelighet betjening av et loggeinstrument 20 som er innlemmet i borestrengen 11 og konstruert for å anvendes under boring. I alminnelighet er MWD-loggeinstrumentet 20 koblet til en elektronikkpakke som også befinner seg på borestrengen 11, og derfor omtales som "nedihulls-elektronikk 13". Nedihullselektronikken 13 tilveiebringer som regel minst én av driftsstyring og dataanalyse. MWD-loggeinstrumentet 20 og nedihullselektronikken 13 er ofte koblet til overflateutstyr 7. Overflateutstyret 7 kan være innlemmet for ytterligere styringsoperasjoner, for å bedre analysekapasiteten samt for data-logging og liknende. En kommunikasjonskanal (ikke vist) kan muliggjøre kommunikasjon til overflateutstyret 7, og kan være basert på pulset slam, kabel-trukne rør og andre teknologier som er kjent for fagmannen.

[0025] Generelt vil data fra MWD-anordningen gi brukere økte muligheter og bedre funksjonen. For eksempel kan data som blir gjort tilgjengelig fra MWD-operasjoner være nyttige som innmating for geostyring av borestrengen 11 og liknende.

[0026] I figur 2 er et eksempel på brønnloggingsinstrument 10 (også omtalt som et "verktøy") for kabellogging vist anordnet i et brønnhull 1 (også omtalt som et "borehull"). Som en konvensjon er dybden i brønnhullet 1 angitt langs en Z-akse, mens et tverrsnitt er vist i et plan definert av en X-akse og en Y-akse. Før brønn-logging med loggeinstrumentet 10 blir brønnhullet 1 boret inn i jorden 2 ved hjelp av en borerigg, så som den vist i figur 1.

[0027] I noen utførelsesformer er brønnhullet 1 fylt, i hvert fall til en hvis grad, med borefluid 4. Borefluidet 4 (også omtalt som "boreslam") inneholder i alminnelighet en blanding av væsker, så som vann, borefluid, slam, olje, gasser og formasjons-fluider som kan forekomme naturlig i miljøet. Selv om borefluid 4 kan bli tilført for boreoperasjoner, er bruk eller tilstedeværelse av borefluidet 4 hverken nødvendig for eller nødvendigvis til hinder for brønnloggingsoperasjoner. I alminnelighet vil det ligge et lag av materiale mellom den utvendige overflaten av loggeinstrumentet 10 og veggen i brønnhullet 1. Dette laget omtales som et "standoff-lag" og har en tykkelse, omtalt som "standoff, S".

[0028] Loggeinstrumentet 10 blir senket inn i brønnhullet 1 ved anvendelse av en kabel 8 som kjøres ut fra et boretårn 6 eller tilsvarende utstyr. Generelt omfatter kabelen 8 en opphengsanordning, så som en lastbærende kabel, i tillegg til andre anordninger. De andre anordningene kan omfatte en kraftforsyning, en kommunikasjonsforbindelse (for eksempel kabelbasert eller optisk) og annet slikt utstyr. I alminnelighet blir kabelen 8 ført ut fra en servicevogn 9 eller en annen tilsvarende anordning (så som en servicestasjon, en basestasjon, osv,...). Kabelen 8 er gjerne koblet til overflateutstyr 7. Overflateutstyret 7 kan forsyne kraft til loggeinstrumentet 10 og tilveiebringe databehandlings- og prosesseringsressurser for minst én av driftsstyring og dataanalyse.

[0029] Generelt omfatter loggeinstrumentet 10 en anordning for å utføre målinger "nedihulls", eller nede i brønnhullet 1. Målingene og andre sekvenser som kan bli utført ved hjelp av loggeinstrumentet 10 blir i alminnelighet utført for å fastslå og kvalifisere en forekomst av hydrokarboner 5.

[0030] Før aspekter ved oppfinnelsen blir beskrevet mer i detalj, vil det bli gitt noen ytterligere definisjoner.

[0031] Med en "gammastrålingsdetektor" menes her et instrument som måler gammastrålingen som kommer inn i instrumentet 10, 20. For eksempel kan gammastrålingsdetektoren anvende et scintillatormateriale som vekselvirker med gammastråling og genererer lysfotoner, som igjen blir detektert av et foto-multiplikatorrør koblet til elektronikk. Eksempler på gammastrålingsdetektorer omfatter, uten begrensning, natriumjodid (Nal), lantanbromider (LaBr) cesiumjodid (Csl), vismut-germinat (BGO), thalliumjodid (TII) og andre organiske krystaller, uorganiske krystaller, plastmaterialer, halvlederbaserte detektorer og kombinasjoner av disse.

[0032] Med en "nøytronstrålingsdetektor" menes her et instrument som måler nøytronstrålingen som kommer inn i instrumentet 10, 20. For eksempel kan nøytronstrålingsdetektoren anvende en scintillator eller et gassformig materiale som vekselvirker med nøytronstrålingen og genererer sekundær ioniserende stråling som genererer enten en elektrisk strømpuls eller lysfotoner, avhengig av detektortype. Eksempler på nøytronstrålingsdetektorer omfatter, uten begrensning, He-3 gassproporsjonalteller, Li-6 scintillator, protonrekyl-scintillatorer og andre organiske krystaller, uorganiske krystaller, plastmaterialer, halvlederbaserte detektorer og kombinasjoner av dette som inneholder nøytronfølsomt materiale. Detektorer er typisk konstruert for å være følsomme for nøytroner innenfor bestemte energiområder, spesielt termiske, epitermiske og hurtige nøytroner.

[0033] Med "karakteriseringsdata" menes her generelt et radiologisk profil (f.eks. et gammautsendingsprofil) for instrumentet. Mer spesifikt vil instrumentet utvise bestemte radiologiske trekk. I forskjellige utførelsesformer er disse trekkene et resultat av bestråling med nøytroner og aktivering av komponenter i instrumentet som igjen kan resultere i utsending av gammastråler fra komponentene. Ikke-begrensende utførelser for generering av karakteriseringsdata er vist her.

[0034] Med "detektorgeometri" menes utformingen av nøytron- og gammastrålingsdetektoren(e). Detektorgeometrien kan omfatte størrelsen og formen til scintillatormaterialet og fotomultiplikatoren eller andre typer detektorer. Med "plasseringsgeometri" menes relativ plassering av en gammastrålingsdetektor inne i loggeinstrumentet eller i forhold til det omkringliggende volumet. Med "logging-under-boring" (LWD) menes måling av parametere fra brønnhullet 1 mens boring pågår.

[0035] Med "nøytroninnfangning" eller "innfangning" menes en form for kjerne-vekselvirkning der et nøytron kolliderer med en atomkjerne og fusjonerer inn i kjernen og således danner en tyngre kjerne. Som følge av dette går den tyngre kjernen over i en høyere energitilstand. I hvert fall noe av energien i nøytron-innfangning-vekselvirkningen tapes vanligvis gjennom utsending av gammastråler. Som regel blir nøytronene generert med en pulset nøytronkilde, men kjemiske kilder kan bli anvendt.

[0036] Mens den er i drift i borehullsmiljøet i undergrunnen sender den elektronisk tidsstyrte pulsetde nøytronkilden ut nøytroner med energi på omtrent 14 MeV. Nøytronene blir sendt ut inn i den eller de omkringliggende formasjonene 4 og undergrunnsmaterialene. I omtrent 1-2 us vekselvirker disse hurtige nøytronene omgående med kjernene i de omkringliggende undergrunnsmaterialene, og spres både elastisk og uelastisk og mister til slutt sin energi. Noen av kjernene i atomene som nøytronene vekselvirker med blir energetisk eksitert under den uelastiske spredningsprosessen, hvoretter de returnerer til grunntilstanden ved å sende ut én eller flere gammastråler med energier som er karakteristiske for moderisotopen. Denne prosessen resulterer i det målte uelastiske spekteret av gammastråle- energier, og kan kun finne sted dersom energien i det innkommende nøytronet er høy nok til å bringe kjernen i moderisotopen til ett eller flere av dens eksiterte energinivåer, eller bundede tilstander.

[0037] Nøytronene fortsetter sin nedbremsingsprosess til de når termisk likevekt med det omkringliggende mediet. Termiske nøytroner innehar typisk en energi på omtrent 0,025 eV, og kan forbli i en diffusjonsprosess i opptil omtrent 1000 us, eller noe mer, før de blir absorbert av kjernene til de omkringliggende atomene. Denne absorbsjonen resulterer i nye isotoper av de samme grunnstoffene. Ved absorbsjon deeksiteres kjernene i disse isotopene, vanligvis gjennom avgivelse av én eller flere gammastråler. Som for det uelastiske spekteret bærer disse energiene fingeravtrykket til moderisotopen og muliggjør entydig identifisering av hvert grunnstoff (dvs. isotop). Denne absorbsjonsprosessen gjør at en kan bestemme innfangningsspekteret. Innfangningsspektrene og de uelastiske spektrene er forskjellige for hver enkelt isotop.

[0038] Utførelser av nedihullsverktøy som anvender en pulset nøytrongenerator avgir vanligvis et utbrudd av omtrent 10<4>- 10<5>hurtige nøytroner. Når nøytron-fluksen midles over tid, er dette ekvivalent med en stasjonær avgivelse på omtrent 10<8>nøytroner/sekund. I disse utførelsene viser energispekteret til nøytronene at nøytronene er veldig nær monoenergetiske og har en initiell energi på omtrent 14,2 MeV, mens vinkelfordelingen av nøytronene er veldig nær isotrop. Nøytroner frembragt av en pulset nøytrongenerator stråler derfor i alminnelighet i alle retninger og går derfor ikke bare inn i formasjonen, men også inn i selve verktøyet. Følgelig omfatter de fleste verktøy som gjør bruk av nøytronkilder betydelig avskjerming for beskyttelse av andre komponenter.

[0039] Med "uelastisk kollisjon", "uelastisk nøytronspredning" eller "uelastisk" menes en kollisjon der et innkommende nøytron vekselvirker med en målkjerne og gjør at kjernen blir eksitert og dermed frigjør en gammastråle før den returnerer til grunntilstanden. I uelastiske kollisjoner fusjonerer ikke det innkommende nøytronet inn i målkjernen, men overfører noe av sin energi til målkjernen før denne energien blir frigjort i form av en gammastråle.

[0040] Forskjellige typer vekselvirkninger innebærer enten absorbsjon eller avgivelse av gammastråling. Hovedtyper (som funksjon av økende energi) omfatter fotoelektrisk effekt, comptonspredning og pardannelse. Som en konvensjon vedrører "fotoelektrisk effekt" vekselvirkninger der elektroner blir sendt ut fra materie etter absorbsjon av en gammastråle. De utsendte elektronene omtales som "fotoelektroner". Den fotoelektriske effekten kan opptre med fotoner med en energi på omtrent noen få eV eller mer. Dersom et foton har høy nok energi, kan det oppstå comptonspredning eller pardannelse. Comptonspredning handler generelt om reduksjon av energien (økning av bølgelengden) til et gammastrålefoton når fotonet vekselvirker med materie. Ved pardannelse kan fotoner med høyere energi vekselvirke med et mål og gjøre at det dannes et elektron og positron par.

[0041] Videre skal det bemerkes at en rekke forskjellige nøytronavgivende kilder er kjent. Eksempler omfatter americium-beryllium-(AmBe)-kilder, plutonium-beryllium-(PuBe)-kilder, californium-kilder (f.eks. Cf-252) og andre. Selv om idéene her generelt er rettet mot en pulset nøytronkilde, skal det derfor forstås at betegnelser som "nøytronavgivende", "nøytrongenerator" og liknende kan anses å henvise til de forskjellige kilder som er tilgjengelige i dag eller som blir konstruert i fremtiden for å tilveiebringe nøytroner nedihulls. Med å "termalisere" menes generelt utførelse av en prosess for å redusere den kinetiske energien til et nøytron til en termisk energi på omtrent 0,025 eV.

[0042] Betegnelsen "strukturell nøytronmoderator" og andre tilsvarende betegnelser beskriver generelt materialer som gir forbedret ytelse som nøytron-moderator, samtidig som de også gir en høy toleranse overfor spenning, tøyning og andre former for mekanisk påvirkning. Selv om den strukturelle nøytron-moderatoren gir bedre ytelse i forhold til kjente materialer, vil de faktiske ytelses-kravene nødvendig for disse materialene måtte bestemmes av systemutviklere, produsenter og brukere. Følgelig, selv om en konkret formulering av den strukturelle nøytronmoderatoren er vist og omtalt her, er ikke denne formuleringen begrensende for oppfinnelsen.

[0043] En type materiale som er nyttig som strukturell nøytronmoderator er en epoksy med en nøytronmodereringsytelse som er nær den til polyetylen og som kan bli anvendt som strukturelt materiale. Dette materialet kan bli tilført nøytron-absorbatorer for å skape forskjellige utførelser av nøytronskjoldmaterialer. To utførelser av dette epoksymaterialet, C8 og C12, har et hydrogeninnhold på henholdsvis 53,9 vekt% og 55,6 vekt%.

[0044] Epoksymaterialet som anvendes som en strukturell nøytronmoderator er en ny aromatisk / alifatisk diamin konstruert for bruk i flyindustrien. Epoksymaterialet skiller seg fra andre forbindelser ved at hydrogenet ikke er involvert i den typiske epoksy-kryssbindingen av molekyler. Følgelig oppnås ideelle mekaniske egenskaper, rapportert som en trykkfasthet på 52,5 MPa og en kompresjonsmodul på 2,86 GPa. Polyetylen med høy tetthet rapporteres å ha en strekkfasthet på 18 MPa. Den utviser laveste dose, kun slått av polyetylen, som antyder at nøytroner ble moderert effektivt av de ytre lagene av materialet. Herding av epoksyen ved 177°C antyder at materialet er egnet til å tåle høye temperaturer, så som de som opptrer ved brønnlogging.

[0045] Det aromatiske/alifatiske diaminet (AFDA) ble fremstilt for innlemmelse i strukturelle epoksyformuleringer. I epoksysystemet dannes en kovalent binding mellom den aromatiske andelen av epoksyen og diaminet ved oppvarming og herding. Den sterke kovalente aromatisk-til-aromatisk-bindingen kryssbinder effektivt epoksymonomerene og resulterer i gode mekaniske egenskaper. Den alifatiske delen av diaminet er kovalent bundet til diaminet på en hengende måte og er ikke involvert i kryssbindingsnettverket. Alifatiske trekk blir dermed introdusert uten at de mekaniske egenskapene påvirkes negativt. I tillegg kan ikke de alifatiske kjedene lekke ut av systemet som noen ganger skjer når hydrogen-inneholdende elementer blir tilført som et tilsetningsstoff.

[0046] AFDA ble fremstilt ved først å alkylere fluoren etterfulgt av nitrering. Molekylet ble så redusert til diaminet og anvendt i epoksyformuleringen. Et skjema som beskriver fremstillingen er vist i figur 3. For å formulere epoksyharpiksen ble diaminet langsomt tilført i TGMDA under oppvarming til 60°C i en form av rustfritt stål. Prøven ble deretter varmet opp til 80°C under vakuum og til slutt plassert i en tradisjonell ovn og varmet opp til 100°C i 14 timer, 120°C i 1 time, 140°C i 1 time og 177°C i 1 time.

[0047] Mekanisk testing ble utført på prøvene for å bestemme deres potensial som strukturelt materiale. Kompresjonstester ble utført med bruk av en modifikasjon av ASTM Method D695. Teststykket ble maskinbearbeidet til rektangulære prismer med dimensjoner 4x4x25 mm og krysshodehastigheten var 1,3 mm/min. Tøyning ble målt ved anvendelse av en tøyningsmålende kompresjonsmåler (knife-edge clip gauge) med en målelengde på 5 mm. Kompresjonsmodulen ble beregnet ved anvendelse av den innledende lineære delen av en spenning/tøyning-kurve (under 1% tøyning). Gjennomsnittlig modul og tilsynelatende trykkfasthet fra fire test-stykker var henholdsvis 2,86 ±0,19 GPa og 52,5 ± 3,7 MPa, der de angitte feilmarginene er standardavvik.

[0048] Figur 4 illustrerer aspekter ved et testoppsett 60. Testoppsettet 60 ble anvendt for å kvalifisere aspekter ved formuleringer av den strukturelle nøytron-moderatoren. I testoppsettet 60 ble en blokk av den strukturelle nøytron-moderatoren 63 plassert nærved en nøytronkilde 61. De genererte nøytronene hadde en energi på omtrent 14 MeV, tilsvarende den som vil møtes ved bruk av en pulset nøytronkilde nedihulls. Moderatoren 63 var omgitt av et vakuum for å begrense atmosfæriske vekselvirkninger. Et måleområde 65 var tilveiebragt for å tallfeste nøytronpopulasjonen etter vandring gjennom forskjellige tykkelser, T, av moderator 63. Resultater er vist i figurene 5 og 6.

[0049] Figurene 5 og 6 er grafer som viser nøytronmodereringsevnen til C8- og C12-epoksyene sammenliknet med tre tommer av polyetylen og en mye brukt legering kjent som "Inconel", som er en austenittisk nikkel-krom-basert super-legering, som er et oksydasjons- og korrosjonsbestandig materiale velegnet for bruk i ekstreme miljøer. "Inconel" er et registrert varemerke eiet av Special Metals Corporation.

[0050] Dataene vist ble modellert ved anvendelse av Monte Carlo-baserte modelleringsmetoder i MNCP V1.50. Resultatene av modelleringen viser at C8- og C12-materialene er meget effektive til å moderere nøytroner med høy energi og nærmer seg modereringsytelsen til polyetylen. Selv en halv tomme av materiale er en stor forbedring fremfor Inconel, som ikke i nevneverdig grad termaliserer nøytroner med tre tommer materialtykkelse.

[0051] Figur 7 viser ytelsen til forskjellige materialer som ofte blir anvendt for å spre nøytroner. C8 og C12 yter langt bedre en Al, Be, Inconel og grafitt. Dataene viser at den strukturelle nøytronmoderatoren er den som kommer nærmest ytelsen til polyetylen. Testoppsettet 60 i figur 4 ble anvendt for denne sammenlikningen.

[0052] Gammastråledetektorer fanger opp gammastråler generert fra uelastisk spredning fra nøytroner med høyere energi. Ved brønnloggingsmåling er det ønskelig å måle gammastråler med opphav i miljøet rundt verktøyet, med begrenset forstyrrelse fra gammastråler generert fra inne i verktøylegemet. Bruk av den strukturelle nøytronmoderatoren reduserer energien til nøytroner og sprer dem ut av verktøylegemet. Dette reduserer antallet gammastråler som vandrer til området ved gammastråledetektorene, og reduserer således antallet uelastiske spredningshendelser som genererer gammastråler inne i verktøyet 10, 20. Videre kan antallet innfangningsgammastråler som genereres reduseres ved å legge til et nøytronabsorberende materiale i epoksymaterialet.

[0053] I noen utførelsesformer er det ønskelig å generere gammastråler ved nøytroninnfangningsprosessen, for eksempel for kildeløse tetthetsmålinger. I dette tilfellet blir nøytroninnfangningsmål plassert i verktøyet 10, 20 som absorberer nøytroner og sender ut karakteristiske gammastråler. Denne absorbsjonen skjer fortrinnsvis med lavenerginøytroner. Den strukturelle nøytronmoderatoren kan bli anvendt for å moderere nøytroner til lavere energier for å øke nøytron-innfangningstakten i målet og således antallet innfangningsgammastråler som genereres.

[0054] I noen utførelsesformer kan nøytrondetektorer være anordnet nær ved gammastråledetektorer i et verktøy. Nøytrondetektorene vil måtte avskjermes fra de modererte nøytronene som ikke kommer fra miljøet rundt verktøyet. Nøytron-detektorer er primært følsomme for nøytroner med lav energi, men kan likevel få én tredjedel eller mer av sine tellinger fra nøytroner over epitermiske energier. En kan enkelt skjerme mot termiske og epitermiske nøytroner ved å legge til Cd, B, Gd og andre nøytronabsorbatorer i moderatoren. Det kan bli lagt på etter moderatoren, i lag eller bli blandet inn som et pulver eller i små biter. Det henvises til figurene 8A til 8E, kollektivt omtalt som figur 8.

[0055] I figur 8A er flere detektorer 82 anordnet i et eksempel på brønnlogge-verktøy 20. Detektorene 82 omfatter forskjellige typer detektorer, så som gamma-detektorer og nøytrondetektorer. Et nøytronskjold er anordnet mellom detektorene 82 og nøytronkilden 61. Forskjellige utførelser av nøytronskjoldet 81 er vist i figurene 8B til 8E. I figur 8B omfatter nøytronskjoldet 81 en strukturell nøytron-moderator 63, tilveiebragt i en ren form. I figur 8C omfatter nøytronskjoldet 81 en strukturell nøytronmoderator 63, med et lag av en nøytronabsorbator 83, så som kadmium. I figur 8D omfatter nøytronskjoldet 81 en strukturell nøytronmoderator 63, med innskutte lag av en nøytronabsorbator 83, så som kadmium. I figur 8D omfatter nøytronskjoldet 81 en strukturell nøytron moderator 63, med en dispergert blanding av en nøytronabsorbator 83, så som kadmium, plassert og blandet hovedsakelig uniformt inn i denne.

[0056] I noen utførelsesformer kan effektiviteten til nøytrondetektorer økes ved å anvende den strukturelle nøytronmoderatoren som en reflektor. I kjent teknikk plasserer produsenter et materiale, så som aluminium, karbon eller beryllium, bak en nøytrondetektor for å reflektere nøytroner tilbake inn i detektoren etter at de har passert gjennom uten vekselvirkning. Dette er typisk koblet til en nøytron-absorbator bak reflektoren for å hindre ankomst av nøytroner fra uønskede retninger (bak verktøyet). Følgelig kan bruk av den strukturelle nøytron-moderatoren være gunstig i slike utførelsesformer.

[0057] Dette epoksymaterialet kan bli koblet med nøytronabsorbatorer så som kadmium (Cd), gadolinium (Gd), bor (B) og andre slike materialer, for effektivt å moderere og skjerme mot nøytroner i loggeverktøy basert på dets høye innhold av hydrogen og strukturelle egenskaper. De strukturelle egenskapene gjør at større volumer av materialet kan bli anvendt inne i verktøyene siden noe av lasten kan overføres gjennom epoksymaterialet. Større volumer gir mer virkningsfulle skjold. Epoksymaterialet kan bli anvendt for å belegge overflater og fylle ønskede volumer inne i et verktøy.

[0058] Vi vil nå ta for oss aspekter ved noen ytterligere og ikke-begrensende utførelsesformer. Det er velkjent at jo færre uønskede nøytroner som kommer frem til detektorlegemet i nærheten av detektorer, jo bedre er målenøyaktigheten. Følgelig kan en kombinasjon av den strukturelle nøytronmoderatoren og et absorbatormateriale bli anvendt i kabelen for å moderere nøytroner som kommer inn i et verktøy fra andre retninger enn fra formasjonen, som illustrert i figur 10. Den strukturelle nøytronmoderatoren kan bli anvendt for å fjerne og/eller redusere borehullseffekter. Tilsvarende kan den strukturelle nøytronmoderatoren bli anvendt i LWD-operasjoner for å skjerme en detektor 91 mot nøytroner som kommer fra borehullet eller slamkanalen inne i vektrøret. Ett eksempel er vist i figurene 9A og 9B, kollektivt henvist til som figur 9.

[0059] I både LWD- og kabeloperasjoner kan den strukturelle nøytronmoderatoren tjene som en moderator og være koblet til en nøytronabsorbator for å bidra til å hindre at nøytroner vandrer direkte fra kilden til detektoren. I LWD-operasjoner kan nøytrondetektorer være fokusert mot et asimutisk område av vinkler. Dette gjør det mulig å samle inn data asimutisk mens verktøyet roterer og danne bilder basert på dataene.

[0060] I ytterligere utførelsesformer blir den strukturelle nøytronmoderatoren

anvendt i et spesialutformet lagdelt skjold og moderator. Den strukturelle nøytron-moderatoren blir påført i lag med en absorbator og herdet til den endelige formen. Absorbatoren kan også bli fordelt over hele moderatoren, for eksempel dersom et pulver blir blandet inn i epoksyen før den størkner. Formålet med dette er å

absorbere nøytroner med lavere energi i trinn, noe som reduserer sannsynligheten for at nøytronene spres ut av skjoldet før de kommer frem til en absorbator som er plassert ved enden av moderatoren. Disse nøytronene kan bli spredt ut av moderatoren, spredt i materialet rundt og så returnere til detektoren. Ikke-standard former kan bli laget for å fylle eventuelle ledige hulrom inne i et verktøy for å maksimere avskjermingen. Disse konseptene begrenser ikke de mulige utformingene av denne epoksyen som en moderator.

[0061] Komponenter som anvender den strukturelle nøytronmoderatoren for innlemmelse i nedihullsverktøy kan bli tilvirket på en rekke forskjellige måter. For eksempel kan ferdige komponenter tilvirkes atskilt fra verktøyet, for eksempel i en støpeform der komponentene deretter blir herdet, ferdigstilt og så lagt til i verktøyet. Komponentene kan tilvirkes som en del av verktøyet, for eksempel ved å helle, injisere eller på annen måte plassere en andel av forløperforbindelse inn i verktøyet, i det verktøyet deretter blir varmet opp eller på annen måte behandlet slik at forløperforbindelsen fullføres og den strukturelle nøytronmoderatoren realiseres. Eksempler på de sistnevnte utførelsene omfatter verktøy der hulrom blir fylt med forløperforbindelsen og et av de siste tilvirkningstrinnene omfatter størkning av forbindelsen. Følgelig kan "mantling" av noen komponenter oppnås på denne måten, blant annet. Mantlingen kan være gunstig for eksempel for å øke den strukturelle sikkerheten til komponenter omgitt av den strukturelle nøytron-moderatoren, samt for å tilveiebringe nøytronavskjerming for de omgitte komponentene på en måte som ikke tidligere var mulig.

[0062] Som en oppsummering tilveiebringer idéene her en unik strukturell nøytron-moderator for bruk i et nedihullsmiljø. Den strukturelle nøytronmoderatoren gir nøytronmoderering med høy ytelse samtidig som den utviser en solid mekanisk styrke. Følgelig gis utviklere, ingeniører, produsenter og brukere av nedihulls- verktøy tilgang til verktøy med lavere vekt og bedre nøytronkontroll og også utvidet funksjonsmulighet som følge av reduksjon i volumet for nøytronavskjerming tilveiebragt i tradisjonelle systemer.

[0063] Fagmannen vil se at de forskjellige komponenter eller teknologier kan muliggjøre bestemte nødvendige eller nyttige funksjoner eller trekk. Disse funksjonene og trekkene, som kan være nødvendige i støtte for de vedføyde kravene og variasjoner av disse, skal således forstås som naturlig omfattet som en del av idéene her og en del av den viste oppfinnelsen.

[0064] Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet med støtte i eksempler på utførelser, vil fagmannen forstå at forskjellige endringer kan gjøres og at ekvivalenter kan bli anvendt i stedet for elementer i disse uten å fjerne seg fra oppfinnelsens ramme. Videre vil mange modifikasjoner sees av fagmannen for å tilpasse et gitt instrument, scenario eller materiale til idéene i oppfinnelsen uten å fjerne seg fra dennes ramme. Det er derfor ikke meningen at oppfinnelsen skal begrenses til den konkrete utførelsesformen beskrevet her som den forventet beste måte å realisere denne oppfinnelsen, men at oppfinnelsen skal omfatte alle utførelsesformer som faller innenfor rammen til de vedføyde kravene.

Claims (16)

1. Instrument for å utføre målinger nedihulls, der instrumentet omfatter: en nøytronkilde; og et nøytronmodererende materiale som utviser høy trykkfasthet og høy ytelse for moderering av og avskjerming mot nøytroner, der avskjermingen er anordnet nær ved nøytronkilden.

2. Instrument ifølge krav 1, der nøytronkilden omfatter minst én av: en pulset nøytrongenerator, en AmBe-kilde, Cf og en PuBe-kilde.

3. Instrument ifølge krav 1, der avskjermingsmaterialet omfatter minst én av: en aromatisk diamin og en alifatisk diamin.

4. Instrument ifølge krav 1, der avskjermingsmaterialet omfatter en kryss-bundet forbindelse.

5. Instrument ifølge krav 1, der avskjermingen omfatter en nøytronabsorbator.

6. Instrument ifølge krav 5, der nøytronabsorbatoren omfatter minst én av: kadmium, bor, gadolinium og en kombinasjon derav.

7. Instrument ifølge krav 1, der avskjermingen omfatter minst én av: et lag av en nøytronmoderator og en nøytronabsorbator blandet deri.

8. Instrument ifølge krav 1, der trykkfastheten er opptil omtrent 52,5 MPa.

9. Instrument ifølge krav 1, der det nøytronmodererende materialet utviser en kompresjonsmodul på opptil omtrent 2,86 GPa.

10. Fremgangsmåte for å tilvirke et nedihullsverktøy omfattende en nøytron-kilde, der fremgangsmåten omfatter følgende trinn: å anordne nøytronkilden i verktøyet; å anordne minst én føler eller sensor i verktøyet; og å anordne et nøytronavskjermingsmateriale som utviser høy trykkfasthet og høy ytelse for moderering av nøytroner i forhold til minst én av: nøytronkilden og den minst ene føleren eller føleren.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, der trinnet med å anordne nøytron-avskjermingsmaterialet omfatter minst én av følgende trinn: å tilføre en forhånds-dannet komponent og å plassere en forløperforbindelse inn i verktøyet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, der trinnet med å plassere inn omfatter minst én av følgende trinn: å helle, å injisere og å mantle.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11, videre omfattende trinnet med å legge til minst én nøytronabsorbator i nøytronavskjermingsmaterialet.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, der trinnet med å legge til omfatter minst én av følgende trinn: å lagvis påføre og å blande inn nøytronabsorbatoren.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13, der trinnet med å anordne nøytron-avskjermingsmaterialet omfatter trinnet med å danne et ufølsomt område for overvåkning med den minst ene føleren eller sensoren.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 11, der trinnet med å anordne nøytron-avskjermingsmaterialet omfatter trinnet med å anordne minst én av C8- og C12-epoksy.