NO300867B1 - Geokjemisk logging - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører undersøkelse av grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull. Mer spesielt angår oppfinnelsen et apparat og en fremgangsmåte for å bestemme verdier av element- eller grunnstoff-konsentrasjon og for ytterligere karakterisering av egenskapene ved de formasjoner som omgir et borehull.

Oppfinnelsen er beslektet med US-patentsøknad nr. 07/450.355 som er inngitt i USA 13. desember 1989 i navnet Don McKeon m.fl., på "Logging Apparatus and Method for Determining Consentrations of Subsurface Formation Elements" hvor apparatet omfatter en enkel nøytronkilde i form av en elektronisk høyenergi-nøytronkilde.

Kapitalkostnadene ved boring og evaluering av en dyp brønn, f.eks. en olje- eller naturgassbrønn er uhyre høye, og av denne grunn påløper betydelige utgifter i de tidsintervaller da bore- eller produksjonstrinn må avbrytes for å evaluere formasjonen. Ved kjente analyseteknikker kan konsentrasjonen av visse elementer eller grunnstoffer utledes fra logging av formasjonen, men konsentrasjonene av andre elementer vil kreve at det taes opp kjerneprøver for analyse.

Forekomsten og kvantiteten av et element i en formasjon kan bestemmes, som beskrevet i US-patent nr. 3.665.195, ved å bestråle formasjonen med nøytroner og detektere den induserte gammastråle-aktivitet fra det element som er av interesse. Etter å ha bestemt det termiske nøytron-innfangningstverrsnittet for formasjonen, blir produktet av gammastråleutsendeIsen og det termiske nøytron-innfangningstverrsnittet frembragt som en kvantitativ indikasjon på elementets forekomst i formasjonen.

I det følgende er gitt en forenklet oversikt over den termiske nøytron-innfangningsprosessen. Nøytroner blir skapt og forplanter seg inn i formasjonen. Noen av nøytronene, blir absorbert, men majoriteten bremses ned inntil de når termiske energier. Ved termiske energier diffuserer nøytronene inntil de blir innfanget av en av kjernene i formasjonen. For et spesielt nøytron vil dets innfangning avhenge av antall kjerner det "ser", veid med det mikroskopiske innfangningstverrsnitt (sannsynligheten) til hver kjerne (summen i en homogen formasjon er proporsjonal med formasjonens innfangningstverrsnitt SIGMAform) . Jo større antall kjerner av et spesielt element, jo større blir således det antall nøytroner som vil bli innfanget av vedkommende element. Antallet innfangningsgammastråler som frembringes, blir med andre ord for et spesielt element proporsjonalt med antallet kjerner pr. volumenhet. Når kjernene blir innfanget, vil de frembringe et spektrum av prompte innfangningsgammastråler som er spesifikt for hvert element. Disse gammastrålene blir ført til detektoren, noen blir svekket i energi og andre går tapt. De som detekteres av detektoren blir brukt i spektralmålingen. Dette detekterte spektrum blir dekomponert for å frembringe de relative bidrag eller ydelser, Y±for hvert element i totalspekteret. Relative verdier for to Yi vil være proporsjonale med det relative atominnhold av elementene i formasjonen (med forholdet veid med mange nukleære parametere: gammastråle-multiplisitet, gammastråle-overføringssannsynligheter, nøytron-innfangningstverrsnitt osv). Straks gode relative bidragsmålinger er tilveiebragt, er det bare nødvendig å bestemme den korrekte absolutte normalisering for å transformere disse relative målinger til

elementkonsentrasj oner.

I artikkelen "The Aluminum Activation Log" av H.D. Scott og M.P. Smith som ble presentert ved the SPWLA Fourteenth Annual Logging Symposium, Lafayette, Louisiana, 6-9 mai 1973, er det beskrevet en fremgangsmåte for måling av aluminiuminnholdet i formasjonen, for å anslå formasjonens skiferandel. En californium-252-kilde for nøytroner blir brukt i forbindelse med en måling av formasjonens termiske nøytron-innfangningstverrsnitt for å frembringe en kontinuerlig aktiveringslogg for et borehull.

I nøytron-aktiveringsprosessen absorberer en atomkjerne et nøytron, skaper en utstabil isotop som desintegrerer etter en viss forsinkelse, vanligvis på grunn av beta-desintegrasjon, med tilhørende gammastråler av karakteristiske energier. I aluminiumaktivering absorberer det naturlige isotop<27>A1 termiske nøytroner og frembringer den utstabile isotop<28>A1, som beta-desintegrerer med en halveringstid på 2,24 minutter under utsendelse av en gammastråle ved 1779 keV. Denne sekvensen er summarisert nedenfor:

Som en generell definisjon refererer "innfangning" her til den prompte utsendelse av gammastråler, mens "aktivering" her refererer til den forsinkede utsendelse av gammastråler.

US-patent nr. 4.464.569 beskriver en fremgangsmåte for å bestemme grunnleggende volumandeler for komponenter i formasjoner, omfattende en spektroskopisk analyse av innfangningsmastråle-spekteret tilveiebragt fra et spektroskopisk nøytron-loggeapparat. De relative følsomheter for loggeapparatet overfor de spesifikke mineraler eller de kjemiske elementer i formasjonen, blir bestemt enten fra fjerneanalyse eller fra tester utført i kjente formasjoner. De spektroskopiske elementydelser og de relative følsomheter blir så brukt sammen for å bestemme volumandelene av de grunnleggende formasjonskomponenter, slik som kalksten, sandsten, porøsitet, salinitet, dolomit, anhydrit osv.

Den fremgangsmåten som er beskrevet i ovennevnte patent, krever likevel ikke, og patentet beskriver ikke noen enkel måte til bestemmelse av elementkonsentrasjoner, spesielt ved bruk av vanlige tilgjengelige loggeapparater eller modifikasjoner av slike. Denne kjente fremgangsmåten tar passende kombinasjoner av målte ydelser, normaliserer kjernedata eller laboratoriemålinger for å oppnå kalibrerte, relative følsomheter og gjør bruk av den begrensning at summen av alle volumandeler er en. Verdier av volumandelene kan så finnes ved å løse det riktige sett med ligninger for formasjonens komponentvolum-andeler. US-patent nr. 4.810.876 beskriver et loggeapparat og fremgangsmåter for å bestemme elementkonsentrasjoner for å bestemme mineralogien til en formasjon basert på en indirekte løsning som delvis beror på visse unike antagelser.

En artikkel med tittel "Geochemical Logging with Spectrometry Tools" av R. Hertzog m.fl., presentert ved den 62ende Annual Technical Conference and Exhibition of the SPE, holdt i Dallas, Texas 27-30 september 1987, artikkel SPE nr. 16792, beskriver et geokjemisk loggeapparat, kjent som GLT tool (varemerke tilhørende Schlumberger Technology Corporation), konstruert for å måle naturlig, aktiverings og nøytroninnfangnings-gammastråler. GLT-apparatet tilveiebringer logger over de hyppigst forekommende elementer og direkte målinger av Al-konsentrasjoner blir tilveiebragt. GLT-apparatet omfatter en sondestreng som suksessivt fra toppen til bunnen omfatter (i) en sonde for naturlige gammastråler, kjent som NGS-sonde (varemerke for Schlumberger Technology Corporation) og beskrevet i US-patent nr. 3.976.878; (ii) en kilde for lavenergi-nøytroner, fortrinnsvis Californium-252; (iii) en aktiveringssonde kjent som AACT-sonde, innrettet for måling av de forsinkede gammastråler som resulterer fra aktivering av aluminium-atomer av nøytroner utsendt fra Californium-kilden; og (iv) en gammaspektrometer-sonde, kjent som GST-sonden (varemerke for Schlumberger Technology Corp.) og som er slik som beskrevet i US-patent nr. 4.317.993 eller 4.327.290; idet GST-sonden er konstruert for å detektere prompte gammastråler som er et resultat av innfangningen av nøytroner utsendt fra en annen kilde, dvs. en høyenergi (14 MeV) nøytrongenerator tilveiebragt i strengen. Hele GLT-sonden medfører tre separate modi av gammastrålespektroskopi for å lage en forståelig elementmessig analyse av formasjonen. Den første målingen blir utført ved hjelp av NGS-sonden som passerer forbi formasjonen før noen nøytronkilde kan indusere radioaktivitet, for å utlede konsentrasjonene av K, Th og U i formasjonen. Den annen måling blir utført ved hjelp av AACT-sonden; idet AACT-sonden, NGS-sonden over den og<252>Cf-nøytronkilden mellom dem muliggjør bruk av en måling av aktiverings-gammastråler for å utlede formasjonens aluminiumkonsentrasjon. Den tredje målingen blir utført ved hjelp av GST-sonden for å utlede et spektrum for innfangningsgammastråler fra en rekke elementer i formasjonen, slik som Si, Ca, Fe, S, Ti, K og Gd. GST-sonden benytter en høyenergi (14 MeV) pulset nøytrongenera-tor for å indusere disse innfangningsreaksjoner.

Ovennevnte US patent nr. 4.317.993 oppviser forøvrig en teknikk med diskrete nøytron-utbrudd med mellomrom, for bestråling av formasjonen. Dette er en teknikk som en er fundamentalt annerledes enn teknikken som benyttes i foreliggende oppfinnelse. Dessuten er sonden som benyttes i US 4.317.993 temmelig lang, hvilket er en åpenbar ulempe. Grunnen er anvendelse av flere energikilder, mens i her-værende oppfinnelse benyttes bare én energikilde "på deling", og dette gir mulighet for å tilveiebringe en størrelsesreduksjon av sonden.

Selvom det ovennevnte kjente GLT-apparat gir betydelige fordeler i forhold til tidligere sonder, er det ønskelig å tilveiebringe ytterligere forbedringer.

På grunn av det relativt store antall anordninger som utgjør GLT-strengen, kan GLT-strengen vise seg å bli for lang. Denne ulempen som er ødeleggende i seg selv, forhindrer også indirekte eventuelle forbedringer av målingene ved å tilføye detektorer og/eller elektroniske databehandlingsanordninger.

Loggehastigheten er dessuten forholdsvis lav på grunn av det faktum at "innfangnings"-målinger ikke kan utføres kontinuerlig, men bare i løpet av den tid den pulsede nøytrongenerator er avslått. Videre blir målingene av innfangningsgammastråler utført i et tidsvindu, etter at kilden har vært slått av, når tellingene allerede har avtatt drastisk; dette reduserer betydelig nøyaktigheten av målingene.

Tilstedeværelsen av høyenergi-nøytrongeneratoren forhindrer i tillegg anbringelse, ved bunnen av strengen, av en ytterligere sonde konstruert for å utføre tetthetsmålinger, fordi den interferens som kunne skje mellom gammastråler utsendt av tetthetssonden og de gammastråler som er et resultat av den hurtige nøytronreaksjon for atomer av interesse (S^og 02) i grunnf ormas joner.

Siden to forskjellige kilder, dvs. den radioaktive californium-kilde og høyenergi-nøytrongeneratoren henholdsvis blir brukt til aluminium-aktiveringsmålinger og "innfangnings"målinger, er det dessuten nødvendig med en omgivelsesmessig korreksjon for aluminium. En slik korreksjon som er nødvendig for å ta i betraktning porøsitets- og absorbsjonsegenskapene til formasjonen og borehullet, er ikke helt ut tilfredsstillende på grunn av den relativt empiriske beskaffenhet.

Ifølge det ovenstående er det et behov for et loggeapparat til måling av naturlige, aktiverings- og nøytroninnfangnings-gammastråler, som ikke oppviser de ovenfor nevnte ulemper.

Det er et første formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et loggeapparat for måling av naturlige, "aktiverings-" og nøytron "innfangnings"-gammastråler, som er lett å bruke og har en rimelig lengde.

Det er et annet formål ved oppfinnelsen å foreslå et loggeapparat med redusert totalfeil (eller statistikker) i målingene.

Det er et tredje formål ved oppfinnelsen å foreslå et loggeapparat som har økede tellehastigheter for gammastråler som et resultat av termisk nøytroninnfangning.

Det er et fjerde formål ved oppfinnelsen å foreslå et loggeapparat som i en gjennomkjøring i borehullet er i stand til å måle radioaktivitet, aktiverings-, innfangnings- og porøsitets-målinger pluss valgfritt å kombinere en tetthets-måling med disse tre målingene.

Det er et femte formål ved oppfinnelsen å redusere feilene ved tolkningen av aluminiuminnholdet ved å foreslå

en ny tolkningsmodell.

Disse og ytterligere formål blir ifølge oppfinnelsen oppnådd ved hjelp av en fremgangsmåte for identifisering og bestemmelse av konsentrasjonene av elementer i undergrunnsformasjoner ved siden av et borehull, omfattende følgende trinn: (a) bestråling av formasjonene med nøytroner fra en lavenergi-nøytronkilde anordnet i en loggesonde som senkes ned i borehullet; (b) detektering og telling av de forsinkede gammastråler som er et resultat av aktivering av atomene i minst et første element ved hjelp av nøytroner som utsendes av kilden; (c) utledning, fra tellingene av aktiveringsgammastråler, av konsentrasjonen av det første element; og fremgangsmåten kjennetegnes ved (d) detektering og telling av prompte gammastråler fra atomer i minst et andre element, hvilke prompte gammastråler er et resultat av innfangning av nøytroner som utsendes av nøytronkilden, som er den eneste nøytronkilde anordnet i logesonden; og (e) utledning, fra tellehastighetene for innfangningsgammastråler, av konsentrasjonen av det annet element.

Energien til nøytronene er fortrinnsvis slik at aktiveringen av atomer i et element som kan interferere med det første element, blir minimalisert.

I en foretrukket utførelsesform er nøytronkilden en kjemisk kilde, slik som en<252>Cf-kilde. Fortrinnsvis er det første element aluminium og det interfererende element er silisium.

Den første flerhet med elementer kan omfatte Si, Ca, Fe, S, H, Cl, Gd, Ti eller K, eller enhver kombinasjon av disse.

Fremgangsmåten kan også omfatte detektering og telling av de gammastråler som er et resultat av den naturlige aktiviteten i atomer i minst et tredje element, slik som f.eks. uran, thorium, kalium.

Fremgangsmåten kan videre omfatte detektering og telling av de termiske (eller epitermiske) nøytroner som er et resultat av vekselvirkningen mellom de utsendte nøytroner og hydrogenatomer i formasjonen (for porøsitetsmålinger).

Som lavenergi-nøytronkilde kan det benyttes en elektronisk kilde.

Den elektroniske nøytronkilden kan f.eks. være en deuterium-deuterium-kilde.

Oppfinnelsen vedrører også en loggesonde for å identifisere og bestemme konsentrasjonene av elementer i undergrunnsformasjoner i nærheten av et borehull, omfattende: (a) en anordning for å bestråle formasjonene med nøytroner fra en lavenergi-nøytronkilde anordnet i loggesonden som senkes ned i borehullet; (b) en anordning for å detektere og en anordning for å telle de forsinkede gammastråler som er et resultat av aktiveringen av atomer i minst et første element ved hjelp av nøytronene; og (c) en anordning for fra tellingene av aktiverings-gammastrålene å utlede konsentrasjonen av det første element; og loggesonden kjennetegnes ved (d) en anordning for å detektere og en anordning for å telle prompte gammastråler fra atomer i minst et andre element, hvilke prompte gammastråler er et resultat av innfangning av nøytroner som utsendes av nøytronkilden, som er den eneste nøytronkilde anordnet i loggesonden; og (e) en anordning for fra telleverdiene av innfangnings-gammastrålene å utlede konsentrasjonen av det annet element.

Fortrinnsvis er nøytronenes energi slik at aktiveringen av atomer i et element som kan interferere med det første element, er minimalisert.

I en foretrukket utførelsesform er nøytronkilden en kjemisk kilde, slik som en<252>Cf-kilde.

Det første element kan være aluminium, og det interfererende element kan være silisium.

Loggesonden kan omfatte en skjerm som omgir nøytron-kilden, idet skjermen omfatter et materiale av høy tetthet

for å absorbere gammastråler.

Kjennetegnene og fordelene ved oppfinnelsen vil lettere kunne forstås fra den følgende beskrivelse som er gitt som et ikke begrensende eksempel under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk sideriss av en utførelsesform av oppfinnelsen i form av et loggeapparat opphengt i en brønn;

fig. 2 er et skjematisk sideriss av en annen utførelsesform av et loggeapparat ifølge oppfinnelsen; og

fig. 3 er et skjematisk riss av en ytterligere utførelsesform av et loggeapparat ifølge oppfinnelsen.

En illustrerende utførelsesform av apparatet som utfører fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er vist på fig. 1 i form av en loggesonde-streng 10 opphengt i en armert kabel 12 i borehullet 14. Borehullet er typisk fyllt med boreslam 16 og er omgitt av grunnformasjoner 18. Under boring avsetter boreslammet et fast materiallag på borehullsveggen i form av en slamkake 15.

Sonde- eller apparatstrengen 10 omfatter et langstrakt hus 11, som omfatter, ved toppen, en kommunikasjonasjonmodul 22 og en rekke sondesystemer som beskrives nærmere nedenfor, og er konstruert for å tilveiebringe data for bestemmelse av de absolutte eller relative konsentrasjoner av en rekke elementer, idet disse resultatene blir brukt i en fremgangsmåte for å bestemme konsentrasjonene av hovedsakelig alle elementer av betydning i formasjonen 18.

Man vil forstå at når det her refereres til sonde eller apparat, detektorer, sondesystemer og lignende, må det ikke betraktes som begrensninger med hensyn til om en spesiell funksjon tilordnet en sonde skal utføres ved hjelp av en enkelt anordning eller en rekke anordninger, eller om slike anordninger befinner seg inne i et enkelt apparat eller en flerhet med apparater som trekkes gjennom borehullet 14 i tandem. Uttrykket apparat- eller sondesystem slik det brukes her, skal referere til en eller flere individuelle anordninger som innhenter og behandler data fra formasjonen eller borehullet for bruk ved bestemmelse av en spesifikk egenskap eller størrelse av interesse. Referanser til patenter eller andre publikasjoner i den følgende beskrivelse skal også forstås å inkorporere materialet i disse inn i foreliggende beskrivelse.

Mens apparatstrengen 10 beveges gjennom borehullet 14, blir en indikasjon på dens dybde tilveiebragt ved hjelp av et dybdebestemmende apparat, generelt indikert ved 40, som reagerer på bevegelsen av kabelen 12 ettersom den gis ut og vikles opp ved hjelp av en vinsj. Det dybdebestemmende apparat 4 0 er tilkoblet en plotter/skriver 42 ved hjelp av en konvensjonell, velkjent kabelfølgende anordning 44.

De data som innsamles ved hjelp av de forskjellige sondesystemer i strengen 10, blir innledningsvis behandlet i kommunikasjonsmodulen 22 og overført gjennom kabelen, ved hjelp av en forbindelseslinje 46, til systemprosessoren 48. Systemprosessoren 48 er vanligvis anbragt på overflaten, og arbeider i sann tid. Funksjonen til systemprosessoren 48 er å bestemme elementkonsentrasjonen i formasjonen og lagre verdiene. En plotting eller registrering av elementkonsentrasjonene ved forskjellige dybder i borehullet, kan utføres ved 42.

Apparatstrengen 10 omfatter tre sondesystemer som suksessivt er anordnet langs strengen 10 og som vil bli beskrevet i det følgende fra topp til bunn.

Under kommunikasjonsmodulen 22 er det første sonde-systemet anordnet, som i den foretrukne utførelsesform omfatter en sonde for måling av den naturlige gammastråling for en rekke elementer, slik som kalium, uran og thorium. Denne sonden vil hensiktsmessig bli referert til som NGS. NGS-sonden omfatter en gammastråledetektor 2 0 og er mer fullstendig beskrevet i US-patent nr. 3.976.878. NGS-detektoren 20 kan være av natriumjodid-typen eller fortrinnsvis av BGO-typen og omfatter tilordnede foto-multiplikatorrør og elektroniske kretser, som kjent på området, for måling av antallet og energifordelingen av de naturlige gammastråler som faller på detektoren 20. NGS- sonden omfatter typisk kretser, slik som et spektrometer, som definerer flere "energivinduer" i hvilke tellinger kan akkumuleres og som typisk blir brukt til å bestemme de naturlig opptredende konsentrasjoner av kalium (K), uran (U) og thorium (Th). Hvis f.eks. så få som fem vinduer blir brukt, overspenner det første energivinduet et energiområde fra 0,15 til 0,5 MeV, et annet vindu fra 0,5 til 1,1 MeV, et tredje vindu fra 1,1 til 1,6 MeV, et fjerde vindu fra 1,6 til 2 MeV og et femte vindu fra 2 til 3 MeV.

Under NGS-sonden er anordnet en elektronisk modul 24 konstruert for å samle inn eller på annen måte behandle data som kommer fra de forskjellige sondesystemer i hele apparatstrengen 10.

Under den elektroniske modulen 24 er anordnet et annet sondesystem som er konstruert for å bestemme de relative elementydelser til elementer av interesse i grunnformasjonene ved bestråling av formasjonen med nøytroner og måling av de prompte gammastråler som er et resultat av nøytroninnfangning av de atomer som svarer til disse elementene. Dette annet sondesystem vil hensiktsmessig bli referert som gammaspektroskopi-apparatet eller som GST-sonden. GST-sonden omfatter ifølge oppfinnelsen en første detektor 21, en annen detektor 23 og en lavenergi nøytronkilde 3 0 anordnet mellom detektorene 21 og 23. Detaljer ved den generelle realisering av GST-sonden kan finnes i US-patent nr. 3.521.064, 4.055.763, 4.317.993 eller 4.810.876. Nøytronkilden 30 med lav energi er i en foretrukket utførelsesform laget av en kjemisk kilde slik som en<252>Cf-kilde. Alternativt kan kilden 30 være laget av en lavenergi elektronisk nøytronkilde, slik som en deuterium-deuterium-kilde basert på deuterium-deuterium-reaksjonen, som beskrevet i boken "Modem Physics For Engineers" av Otto Oldenberg og Norman C. Rasmussen, sidene 419 og 420; samt i boken "CRC Handbook of Fast Neutron Generators", volum I, fra Julius Csikai, CRC Press, Inc.

(Bora Raton) Florida, sidene

3-19, 83 og 84; og boken "Chemical Analysis, A series of

monographs on analytical chemistry and its applications", Wiley-Interscience Publication, vol. 39, artikkel "Activation Analysis with Generators", fra Sam S. Nargowalla og Edwin P. Przybylowicz, sidene 18-23. Energien av de nøytroner som utsendes av lavenergi-kilden, er i området fra 2 til 4 MeV. Den type lavenergi-kilde som skal brukes, blir fortrinnsvis valgt med det formål å minimalisere aktiveringen av et element som kan interferere med Al-aktivering, slik som f.eks. silisium. Der er tilfeller hvor nøytronbombardementet av to distinkte elementer frembringer to isotoper som har hovedsakelig de samme halveringstider.

I visse tilfeller blir den samme radioisotop frembragt fra to forskjellige elementer. F. eks. reagerer både27A1 og2<8>Si med nøytroner og frembringer<28>A1 som har en halveringstid på omkring 2,3 minutter. Det er klart at bestemmelsen av silisium- og aluminium-mengden i en formasjon ved å bombardere formasjonen med nøytroner derfor gjøres vanskelig fordi gammastråleaktiviteten som er resultatet når<28>A1 atomer vender tilbake til sin stabile tilstand, ikke kan adskilles i de komponenter som henholdsvis skyldes aluminium og silisium. Nedenfor er oppsummert de respektive Al og Si-aktiveringsprosesser.

Ytterveggen til huset 11 som vender mot den første innfangningsdetektoren 21 og den andre

innfangningsdetektoren 23, er omgitt av en sylindrisk hylse 25 laget av et materiale, slik som bor, som virker som en nøytronabsorberer, og således forhindrer termiske nøytroner fra å aktivere, ved innfangnings-eller aktiverings-fenomenet, atomer i huset 11 (hovedsakelig Fe) som ville utsende gammastråler som er istand til å interferere med gammastråler som er et resultat av innfangningen av

elementer av interesse i grunnformasjonen. Nøytronkilden 3 0 er anbragt av en skjerm 29 laget av et materiale med høy tetthet, slik som det materiale som er kjent under varemerket Hevimet. I en annen utførelsesform omfatter skjermen 29 en kombinasjon av et materiale med høy tetthet for å absorbere gammastråler og et lett materiale, slik som hydrogen eller beryllium, som virker som en

nøytronmoderator.

Apparatstrengen 10 omfatter et tredje sondesystem som er konstruert for å bestemme den absolutte

aluminiumkonsentrasjon, og som heretter vil bli referert til som AACT. AACT-sonden omfatter lavenergi-kilden 3 0 (allerede nevnt i forbindelse med GST-sonden), og en AACT-detektor 28 av natriumjodid-typen eller fortrinnsvis av BGO-typen, omfattende tilhørende fotomultiplikatorrør og elektroniske kretser (slik som et spektrometer), som kjent på området for måling av antallet og energifordelingen av de forsinkede gammastråler som faller på detektoren 28. AACT-detektoren 28 og dens tilhørende anordninger er maken til NGS-detektoren 20. AACT-detektoren 28 er anordnet ved bunnenden av huset 11. Et kammer 31 mellom lavenergi-nøytronkilden 30 og AACT-detektoren 28, inneholder kraft-forsyningene og styreanordningene (i og for seg kjente).

I motsetning til tidligere kjente apparater, benytter apparatstrengen 10 ifølge oppfinnelsen en enkelt nøytronkilde som er felles for både AACT- og GST-sondesystemene, nemlig lavenergi-nøytronkilden 30.

AACT-sonden blir benyttet i forbindelse med lavenergi-nøytronkilden 3 0 for å oppnå aktiverte aluminium-telleverdier.

De utsendte nøytroner bremses ned i formasjonen og blir innfanget av aluminiumatomene, som igjen utsender en forsinket gammastråle ved 1779 keV.

Loggestrengen 10 ifølge oppfinnelsen blir heretter beskrevet i en av sine driftsmessige modi.

Etter at apparatstrengen 10 er blitt senket til bunnen av borehullet eller til enhver dybde under den sone som skal undersøkes, blir strengen så hevet med en gitt hastighet under innsamling av data som er et resultat av vekselvirkningen mellom de nøytroner som utsendes av nøytronkilden 30 og atomer i grunnformasjonene 18.

NGS-sonden måler den naturlige gammastråling fra kalium, uran og thorium, som kjent på området. NGS-sonden tilveiebringer også en telleverdi-måling for den naturlige bakgrunnsaktivitet for å korrigere aluminiumsmålingen til AACT-sonden. Ved hjelp av velkjente metoder på området så kan hvis NGS-detektoren måler den bakgrunns-telleverdien som skyldes naturlige radioaktive elementer, og AACT-detektoren 28 måler den totale aktivitet som er et resultat av aktiveringen av disse elementene og aluminium ved hjelp av kilden 30, bakgrunnsstrålingen substraheres for å tilveiebringe en målt telleverdi for aluminium.

Nøytronkilden 3 0 utsender nøytroner med lav energi som vekselvirker med atomene av de forskjellige elementer i grunnformasjonen. Skjematisk kan tre typer vekselvirkning inntreffe. Den første type vekselvirkning er en uelastisk kollisjon som fører til utsendelsen av et foton. Den annen type vekselvirkning er aktiveringen av et atom som resulterer i forsinket utsendelse "av en gammastråle, hvis energi er karakteristisk for atomet. Den tredje type vekselvirkning som vanligvis kalles "innfangning", inntreffer når nøytronene mister sin energi ned til termiske energier og blir absorbert av atomer; innfangningsprosessen resulterer i den prompte utsendelse av en eller flere gammastråler.

GST-sonden detekterer ved bruken av de første og andre detektorer 21 og 23, prompte gammastråler som er et resultat av innfangningen av nøytroner i atomer for en rekke elementer av interesse i grunnformasjonene. Slike elementer omfatter f.eks. Si, Ca, Fe, S, H, Cl, Gd, Ti eller K, eller enhver kombinasjon av disse. Den første detektoren 21 og den andre detektoren 23 er relativt store for å forsterke antall tellinger.

AACT-detektoren 28 detekterer de forsinkede gammastråler som er et resultat av aktiveringen av aluminium.

En alternativ utførelsesform av oppfinnelsen er vist på fig. 2, hvor anordninger maken til eller identisk med de som er vist på fig. 1, har de samme henvisningstall.

Hovedforskjellen mellom apparatstrengen 100 på fig. 2 og apparatstrengen 10 på fig. 1, er: "innfangnings"-målingene blir utført med en enkelt detektor 21;

under kilden 30 er anordnet to i langsgående avstand adskilte nøytrondetektorer 40 og 50, konstruert for å utføre "porøsitet"-målinger fra forholdet mellom tellingene av de termiske (eller epitermiske) nøytroner som vekselvirker med hydrogen i formasjonen; idet de to detektorene 4 0 og 50 og deres tilhørende kretser er kjent på området (se f.eks. US-patent nr. 4.423.323 eller 4.816.674).

Den kjemiske kilden gir dessuten nok plass til å anordne to ytterligere nøytrondetektorer for porøsitetsmålinger. De to ytterligere detektorer er ikke vist og er i og for seg kjente. En elektronisk kilde ville kreve rom for de vanlige kraftforsyninger anbragt i nærheten av selve kilden.

Fig. 3 viser en ytterligere alternativ utførelsesform av en apparatstreng 200 hvor anordninger maken til eller identisk med de som er vist på fig.1eller fig. 2, bærer de samme henvisningstall.

Kilden 30 er i utførelsesformen på fig. 3, en elektronisk lavenergi-nøytronkilde slik som en deuterium-deuterium-kilde. De naturlige gammastrålemålinger blir utført ved hjelp av et sett på to detektorer 20A og 20B, som vender mot hverandre og virker sammen med sine tilhørende kretser, f.eks. på den måte som er beskrevet i søkerens US-patentsøknad nr. 07/400.847 inngitt 30. august 1989. Detektorene 2OA og 2OB er identiske med hverandre, og begge virker som detektoren 2 0 på fig. 1 eller fig. 2. På lignende måte blir aluminium-aktiveringsmålinger utført ved hjelp av et sett på to detektorer 28A, 28B. En første nøytrondetektor 4 0 er anordnet mellom innfangningsdetektoren 21 og settet med naturlige gammastråle-detektorer 20A, 20B. Begge nøytrondetektorene 40 og 50 er sammen med sine tilhørende kretser, konstruert for å måle og beregne porøsitet, som kjent på området og som f.eks. beskrevet i US-patent nr. 4.423.323.

Apparatstrengen ifølge oppfinnelsen som beskrevet og skissert på noen av figurene 1, 2 eller 3, oppviser betydelige fordeler i forhold til tidligere kjente apparater.

For det første er apparatets lengde betydelig redusert. Den totale lengde av apparatstrengen 10 kan f.eks. være omkring 20 fot, mens de tidligere kjente apparater vanligvis er omkring 69 fot lange. Følgelig er det mulig å tilføye en annen detektor til GST-sondesysternet, samt å anbringe GST-detektorene 21, 23 nærmere kilden 30, idet begge disse trekk medfører en forbedring av tellestatistikkene til innfangningsmålingené med minst en faktor på 3.

Som en følge av de forbedrede målinger er det for det annet mulig å kjøre apparatstrengen med en høyere loggehastighet (slik som minst 1200 fot/time istedet for 300-600 fot/time for tidligere kjente apparater).

For det tredje omfatter oppfinnelsen bruk av en lavenergi nøytronkilde i form av enten en elektronisk kilde eller en kjemisk kilde. Bruken av en slik kilde oppviser ulemper og fordeler i forhold til bruken av den annen. For det første er det generell enighet om at en kjemisk kilde er pålitelig, forholdsvis billigere enn en elektronisk nøytronkilde og gjør det mulig å utføre kontinuerlige målinger, noe som i betydelig grad forbedrer nøyaktigheten. På den annen side er det vanlig enighet om at en elektonisk kilde har et meget smalt energispektrum og må underkastes mindre stringente reguleringer enn en kjemisk kilde må.

For det fjerde, den lave energien til de utsendte nøytroner: (i) tillater reduksjon av silisium- eller oksygen-aktivering som kan interferere med Al-aktiveringen; (ii) reduserer antallet uelastisk spredende gammastråler som kan interferere med "innfangnings"- og "aktiverings"-målinger; og (iii) tillater anbringelse av en ytterligere sonde under apparatstrengen, som er konstruert for å måle tettheten uten ødeleggende interferens mellom de gammastråler som utsendes av den ytterligere tetthetssonde og de gammastråler som er et resultat av den hurtige nøytronreaksjon med silisium- og oksygen-atomer.

For det femte, siden én enkelt kilde blir brukt til både "aktiverings"- og "innfangnings"-målingene, er det ikke nødvendig med noen korreksjon for omgivelsene, slik som en borehullskorreksj on.

For det sjette foreslår oppfinnelsen en ny tolkningsmodell for bestemmelsen av Al-innholdet. Denne modellen forbedrer den tidligere kjente modell slik som den som er beskrevet i SPE-artikkelen nr. 16792 som allerede er nevnt. Modellen ifølge oppfinnelsen er basert på den "lukkede modell" som er skissert i denne SPE-artikkelen, i den forstand at summen av elementenes vektandeler er lik en. Dette uttrykkes som:

hvor, ved å bruke de betegnelser som er fremsatt i SPE-artikkelen, "SIGMAi" er en summeringsoperator over elementene "i", "Wti" er lik F (CRi/Si) og er vektandelen av elementet "i" bestemt fra innfangnings- og aktiverings-målinger, "F" er en dybdeavhengig normaliseringsfaktor anvendt både på aktivering og innfangning, " X^" er forholdet mellom vekten av det tilhørende oksid eller karbonat og vekten av elementet "i", "CRi" er den totale telleverdi fra aktivering og innfangning, korrigert for dødtid og loggehastighet, og tilordnet elementet "i", "Si" er en relativ spektral følsomhetsfaktor for elementet "i". "Xk" og "Wtk" svarer til de ovennevnte definisjoner, bortsett fra at de er utledet fra naturlige aktivitetsmålinger. Ifølge oppfinnelsen blir

Al innbefattet i den veide sum, dvs. Al er ett av elementene

Modellen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å kalibrere både innfangnings- og aktiverings-gammastrålene, og eliminerer også behovet for en omgivelsesmessig korreksjonsalgoritme, noe som er nødvendig i tidligere kjente fremgangsmåter som beror på nøyaktig kunnskap om borehullets og formasjonens innfangningstverrsnitt og apparatets avstander fra veggene i borehullet.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for å identifisere og bestemme konsentrasjonene av elementer i undergrunnsformasjoner ved siden av et borehull, omfattende trinn med: (a) bestråling av formasjonene med nøytroner fra en lavenergi-nøytronkilde anordnet i en loggesonde som senkes ned i borehullet; (b) detektering og telling av de forsinkede gammastråler som er et resultat av aktivering av atomene i minst et første element ved hjelp av nøytroner som utsendes av kilden; og (c) utledning, fra tellingene av aktiveringsgammastråler, av konsentrasjonen av det første element;karakterisert ved: (d) detektering og telling av prompte gammastråler fra atomer i minst et andre element, hvilke prompte gammastråler er et resultat av innfangning av nøytroner som utsendes av nøytronkilden, som er den eneste nøytronkilde anordnet i loggesonden; og (e) utledning fra tellehastighetene for innfangningsgammastråler av konsentrasjonen av det annet element.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat nøytronenes energi er slik at aktiveringen av atomer i et element som kan interferere med det første element, blir minimalisert.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat lavenergi-nøytronkilden er en kjemisk nøytronkilde.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2,karakterisert vedat det første element er aluminium og ved at det interfererende element er silisium.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat konsentrasjonen av det første element og konsentrasjonen av det annet element blir utledet fra de respektive element-vektandeler "Wti" som er uttrykt som:

hvor "Si" er en summeringsoperator over elementene "i", "Wti" er lik F (CRi/Si) og er vektandelen av elementet "i" bestemt fra innfangnings- og aktiverings-målinger, "F" er en dybdeavhengig normaliseringsfaktor, "Xi" er forholdet mellom vekten av det tilhørende oksid eller karbonat og vekten av det tilsvarende element "i", "CRi" er den totale telleverdi fra aktivering og innfangning, korrigert for dødtid og loggehastighet, og som skyldes det tilsvarende element "i", "Xk" og "Wtk" er utledet fra naturlige aktivitetsmålinger, "Si" er en relativ spektral følsomhetsfaktor for det tilsvarende element "i", og hvor det første element er innbefattet i summeringsoperatoren E.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert veddetektering og telling av de gammastråler som er resultat av naturlig aktivitet i atomer i minst et tredje element.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert veddetektering og telling av de termiske eller epitermiske nøytroner som er et resultat av vekselvirkningen mellom de utsendte nøytroner og hydrogenatomer i formasjonen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat kilden omgis med en skjerm som omfatter et materiale med høy tetthet, for å absorbere gammastråler.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat kilden omgis med en skjerm som omfatter et materiale av lav tetthet for å bremse ned nøytroner.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det som lavenergi-nøytronkilde benyttes en elektronisk kilde.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat den elektroniske kilden er en deuterium/deuterium-kilde.

12. Loggesonde for å identifisere og bestemme konsentrasjonene av elementer i undergrunnsformasjoner i nærheten av et borehull, omfattende: (a) en anordning for å bestråle formasjonene med nøytroner fra en lavenergi-nøytronkilde anordnet i loggesonden som senkes ned i borehullet; (b) en anordning for å detektere og en anordning for å telle de forsinkede gammastråler som er et resultat av aktiveringen av atomer i minst et første element ved hjelp av nøytronene; og (c) en anordning for fra tellingene av aktiverings-gammastrålene å utlede konsentrasjonen av det første element; karakterisert ved: (d) en anordning for å detektere og en anordning for å telle prompte gammastråler fra atomer i minst et andre element, hvilke prompte gammastråler er et resultat av innfangning av nøytroner som utsendes av nøytronkilden, som er den eneste nøytronkilde anordnet i loggesonden; og (e) en anordning for fra telleverdiene av innfangnings-gammastrålene å utlede konsentrasjonen av det annet element.

13. Loggesonde ifølge krav 12, karakterisert vedat nøytronenes energi er slik at aktiveringen av atomer i et element som kan interferere med det første element, er minimalisert.

14. Loggesonde ifølge krav 13, karakterisert vedat den kjemiske kilden er en<252>Cf-kilde.

15. Loggesonde ifølge krav 13 og 14,karakterisert vedat det første element er aluminium og at det interfererende element er silisium.

16. Loggesonde ifølge krav 12, karakterisert vedat den omfatter en skjerm som omgir nøytronkilden, idet skjermen omfatter et materiale av høy tetthet for å absorbere gammastråler.