NO301738B1 - Fremgangsmåte for porösitetslogging med hjelp av pulset nöytronkilde - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fremgangsmåte for porøsitets-logging ved hjelp av en pulset nøytronkllde som angitt 1 innledningen til krav 1.

Forskjellige teknikker kan bli anvendt for å karakterisere underjordiske formasjoner med hensyn til deres fluid- eller mineral innhold, litologiske karakteristikker, porøsitet, eller å sørge for stratigrafisk korrelasjon. Nøytronkilden kan være en kilde i likevekt eller en pulset kilde. Nøytron-porøsitetslogging kan for eksempel bli utført ved å anvende en nøytronkllde i likevekt for å bombardere formasjonen med hurtige nøytroner. Porøsiteten til formasjonen kan så bli bestemt ved å måle termiske eller epltermlske nøytroner som anvender to detektorer med forskjellig avstand fra kilden eller ved å måle epitermiske nøytroner med en detektor.

Ved porøsitetsloggingsprosedyre med pulset nøytron blir formasjonene bestrålt med gjentagende utbrudd av hurtige nøytroner, normalt fremviser nøytronene en energi større enn1Mev. Når de hurtige nøytronene går inn i formasjonen modereres hastigheten deres, eller den reduseres av atomkjernene inne i formasjonen for å danne lavere energinøytron-populasjoner. De hurtige nøytronene modereres til lavere energinivåer av nukleaerkollisjonprosessen til elastisk og inelastisk spredning. Ved elastisk spredning taper nøytronene en del av sin energi i en kollisjon som er perfekt elastisk, dvs. energitapet til nøytronen opptas som kinetisk energi av atomkjernen med hvilken den kolliderer. Ved inelastisk spredning blir kun noe av energien tapt av nøytronene opptatt som kinetisk energi av atomkjernene med hvilke de kolliderer. Energitapet tar generelt form av gammastråling sendt ut fra kollisjonsatomkjernen. I løpet av modereringen når nøytronene det epitermiske området og deretter modereres de ytterligere til de når det termiske nøytronområdet. Termiske nøytroner er nøytroner som er i termisk likevekt med deres omgivelse. Fordelingshastigheten til termiske nøytroner følger den såkalte Maxwellian fordelingslov. Energien som korresponderer med den mest sannsynlige hastigheten for en temperatur på 20'C er 0,025 elektronvolt. Epitermiske nøytroner er de nøytronene som fremviser energier innenfor området fra umiddelbart over det termiske nøytronområdet til 100 elektronvolt. Mens grensen mellom termiske og epitermiske nøytroner er nødvendigvis noe vilkårlig, er det normalt i området fra 0,1 til 1 elektronvolt.

Nøytronpopulasjonene ved forskjellige energinivåer avtar med tiden etter primaerbestrålingen og gir således mulighet for karakterisering av formasjonen. I tilfelle av elastisk spredning, som dominerer i hovedsaken for energier mellom et par ev og 1 Mev er for eksempel antall kollisjoner nødvendig for en nøytron for å modereres fra ett energinivå til et andre lavere energinivå varierende mer eller mindre direkte med atomvekten til atomkjernen som er tilgjengelig for kollisjonen. Ved underjordiske formasjoner har hydrogenatom-kjernen tilstede i hydrogent materiale slik som olje, vann og gass en tendens til å være fremherskende ved reduksjonen i prosessen. Hastighetsavtagningen eller bortdøingshastigheten til den epitermiske nøytronpopulasjonen gir en kvalitativ indikasjon av mengden av hydrogent materiale som igjen kan være indikativ for porøsiteten til formasjonen. US-patent nr. 4 097 737 beskriver et porøsitetsloggesystem for en pulset nøytron for å måle epitermisk nøytronbortdøing og anvender en 14-Mev pulset nøytronkilde og en nøytrondetektor som er følsom for epitermiske nøytroner og sterkt diskriminerende for termiske nøytroner.

US-patent nr. 3906224 beskriver en fremgangsmåte for porøsitetsmåling av undergrunnsformasjoner ved hjelp av en nøytronkilde.

Videre er det fra US 4506156 kjent en innretning og fremgangsmåte for porøsitetsmåling av jordformasjoner. Fremgangsmåten går ut på å bestråle formasjonen med raske nøytroner og detektering av mengden av de resulterende epitermiske nøytroner.

US-patent nr. 4625110 omhandler også en fremgangsmåte for å måle porøsitet. Populasjonen av de epitermiske nøytronene detekteres. Det blir også sett på de epitermiske nøytronenes bortdøingshastighet for å bestemme effekter fra borehullet.

Ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art og av denne art som nevnt i ovenfornevnte tidligere kjente publikasjoner hvor de karakteristiske trekkene ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse fremgår av krav 1. Krav 2 beskriver en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen .

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et pulset nøytronloggeverktøy med en dob-beltdetektor og som er nyttig ved utførelse av porøsitetsloggemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse med pulset nøytron. Fig. 2 og 3 viser nøytronporøsitetskurver for forskjellige

litologiformasjoner.

Fig. 4 og 5 viser elektrisk skjematisk kretsen anvendt med det pulsede nøytronloggeverktøyet på fig. 1 for å utføre den pulsede nøytronporøsitetslogge-fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 og 7 viser tidsfordelingene av nøytrontelleverdiene fra detektorene for henholdsvis nærtliggende og fjerntliggende detektering av pulsede nøytroner ved hjelp av verktøyet på fig. 1.

Med henvisning til fig. 1 skal det først bli beskrevet et borehullsloggeverktøy med hvilket porøsitetslogge-fremgangsmåten for pulsede nøytroner ifølge foreliggende oppfinnelse kan bli utført. Et borehullsloggeverktøy 10 er anbrakt i borehullet 11 ved hjelp av en kabel 12. I verktøyet 10 nær dets nedre ende er en pulset nøytronkilde 13 av

høyenergitypen. Anbrakt med avstand fra hverandre ovenfor den pulsede nøytronkilden 13 er nøytrondetektoren 14 for

detektering av nærliggende epitermiske nøytroner, en i nøytrondetektor 15 for fjerntliggende detektering av epitermiske nøytroner, en strømforsyning 16, og en elek-tronisk del 20 nede i borehullet. Kabelen 12 fører informa-sjon og styresignaler til den elektroniske delen 17 utenfor

borehullet for behandling og opptegning. Når verktøyet 10 ' < beveges gjennom borehullet 11 frembringer en dybdeopp-tegningsinnretning slik som et målehjul 18 et dybdesignal som tilføres den elektroniske delen 17 utenfor borehullet ved hjelp av en line 19 som således korrelerer målingen nede i

borehullet med dybden ved hvilken de blir tatt.

i

Nøytronkilden 13 kan være enhver egnet nøytronkilde for avgivelse av hurtige pulsede nøytroner, men fortrinnsvis vil den ha form av en D-T-akselerator innbefattende en ionekilde

av deuterium og et mål av tritium. Triggerpulser blir periodisk tilført deuteriumkilden for å ionisere deuteriumet.

Deuteriumioner, som er frembrakt på denne måten, akselereres mot målet ved hjelp av en høy negativ spenning og den resulterende reaksjonen mellom deuteriumionene og tritium-målet frembringer utbrudd av nøytroner som har en energi på i 14 Mev. Nøytronutbruddene vil ha en varighet av 1 til 20 us med et intervall mellom utbruddene på 50 til 200 us for å tilveiebringe en pulsgjentagelseshastighet på 5 000 til 20 000 hurtige nøytronutbrudd pr. sek. En slik akseptabel

nøytronkilde er fremstilt av Gearhart Industries of Fort Worth, Texas.

Epitermiske nøytrondetektorer 14 og 15 kan være av enhver egnet type som optimaliserer detekteringen av epitermiske nøytroner med minimale termiske nøytroneffekter. En foretrukket detektor innbefatter en eller flere helium-3-tellere dekket eller omhyllet av et termisk nøytronskjermingsmateri-ale, slik som gadolinium eller kadmium, for å absorbere termiske nøytroner mens den lar de fleste epitermiske nøytronene nå tellerene. Epitermiske nøytroner er de nøytronene som fremviser energi innenfor området fra umiddelbart over termisk likevektsområde til omkring en energi på 100 elektronvolt. Mens grensen mellom epitermiske og termiske nøytroner er noe vilkårlig, er det normalt i området på 0,1 til 1,0 elektronvolt. Den termiske nøytron-skjermingen tillater således primærepitermiske nøytroner over 0,1 til 1,0 elektronvolt å nå nøytrontelleren. Flere slike epitermiske nøytrondetektorer er beskrevet nærmere i for eksempel US-patent nr. 4 097 737 , 4 241 253, 4 556 793 og 4 590 370.

Mens loggeverktøyet 10 er vist på fig. 1 sentralisert inn i borehullet 11 er det klart at borehullfluidepitermiske nøytroner vil interferere med detektering av formasjons-epitermiske nøytroner. For å minimalisere effekten av slike borehullfluidepitermiske nøytroner kan de epitermiske nøytrondetektorene 14 og 15 bli anbrakt mot borehullsveggen ved enten å anbringe loggeverktøyet mot borehullsveggen eller lokalisere detektorene i separate hus eller puter som kan bli anbrakt mot borehullsveggen. Slik anbringelse av detektorer mot borehullsveggen er nærmere beskrevet i US-patent nr. 4 581 532.

Strømforsyningen 16 er anordnet for den pulsede nøytronkilden 13 og elektronikken 20 nede i borehullet. Akseptabel strømforsyning egnet for bruk ved en D-T-pulset nøytronkilde er beskrevet i US-patentene 3 719 827, 3 984 694 og 4 298 825.

I det påfølgende skal det ovenfor "beskrevne borehullslogge-verktøyet nå bli beskrevet ved karakterisering av porøsitet og litologi til en underjordisk formasjon. Et problem som oppstår i løpet av en slik karakterisering er når sten-materialet er mer komplekst enn at det består av et enkelt kjent mineral. Foreliggende oppfinnelse er derfor rettet mot en pulset nøytronporøsitetsloggingsfremgangsmåte som karakteriserer formasjonsporøsiteten med hensyn til både litologiuavhengige og litologiavhengige komponenter og bruken av slike komponenter ved identifisering av ukjent eller kompleks litologiformasjon.

Med henvisning til fig. 2 er det vist effekten som en kompleks litologi kan ha på formasjonsporøsitetsmålinger.

Fig. 2 er en kurve som viser nøytronporøsitetsekvivalens-kurver generelt anvendt ved tolkingen av dobbeltdetektor-kompenserte nøytronlogger ved løpende bruk. Tilsynelatende porøsitet er konvensjonelt opptegnet langs abscissen og sann porøsitet er opptegnet på konvensjonell måte langs ordinaten. En konvensjonellkompensert nøytronlogg tilveiebringes ved bruk av en likevektskilde med nøytroner av høy energi og to termiske nøytrondetektorer. Stenmatriksen interfererer alvorlig med effekten på grunn av hydrogenet i fluidet som opptar porevolumet i matriksen. Tilstedeværelsen av oksygen, silikon, kalsium eller karbon i matriksen gjør kompensert nøytronporøsitetsloggemetoden mindre følsom for porøsiteten alene enn ønskelig. Det er dessuten vanlig å kalibrere loggeverktøyet til en kjent formasjon slik som kalksten. Et loggeverktøy kalibrert på denne måten fører, når det beveges gjennom formasjonen hvor litologien adskiller seg fra kalkstenen, til feilaktige resultater med hensyn til formasjonsporøsiteten.

på fig. 2 representerer kurven 200 forholdet mellom tilsynelatende og sann porøsitet for sandsten. Kurven 201 representerer forholdet mellom tilsynelatende og sann porøsitet for kalksten og kurven 202 for dolomitt. Det skal

bemerkes at kun kalkstenkurven 201 er lineær. Dette er på grunn av kalibreringen for kompensert nøytronlogg er utført på kalksten. Det fremgår således at tolkingen av kompensert nøytronlogg nøyaktig uttrykt i sann porøsitet må arten eller sammensetningen av stenmatriksen være kjent. Dersom en uavhengig måling av sann porøsitet er koblet med tilsynelatende porøsitet fra en kompensert nøytronlogg vil derimot et punkt P bli definert på kurven som ligger mellom to av kurvene 200-202 slik som kalksten og dolomitt for eksempel. Ved invers proporsjonering av avstanden fra punktet P mellom de to kurvene kan prosentdelen av sammensetning av kalksten og dolomitt bli bestemt.

I motsetning til det ovenfornevnte er foreliggende oppfinnelse rettet mot en porøsitetsloggemetode ved hjelp av pulset nøytron for å tilveiebringe litologiuavhengig og avhengig porøsitetsmålinger som vil bli anvendt istedenfor uavhengig porøsitet og kompenserte nøytronloggemålinger. Foreliggende oppfinnelse anvender bortdøingsspektrumet for epitermiske nøytroner innenfor formasjonen som resulterer fra bestrålin-gen med respektive utbrudd av hurtige nøytroner for å karakterisere formasjonen med hensyn til dens porøsitet og dens litologi. Nærmere bestemt bestråler den pulsede nøytronkilden 13 på fig. 1 gjentagende formasjon som i borehullet 11 med utbrudd av hurtige nøytroner. De epitermiske nøytronene som oppstår innenfor formasjonen detekteres av begge de epitermiske nøytrondetektorene 14 og 15. Den bortdøende hastigheten til de detekterte epitermiske nøytronene blir først målt i løpet av deres bortdøende spektrum ved tidsoppløsning av slike epitermiske nøytroner for å tilveiebringe en litologisk uavhengig måling av formasjonens porøsitet. En total telling av detekterte epitermiske nøytroner blir for det andre foretatt i løpet av bortdøing av spektrumet ved tidsintegrering av slike epitermiske nøytroner for å tilveiebringe en litologisk avhengig måling av formasjonsporøsiteten. Ved kryssplotting av slike litologiuavhengige og avhengige pulsede nøytron- porøsitetsmålinger som vist på fig. 3 på lignende måte den vist på fig. 2 kan et punkt P' bli identifisert på fig. 3 som likeledes karakteriserer formasjonens litologi ved invers proporsjonalitet på avstanden til punktet P' mellom kalkstenkurven 301 og dolomittkurven 302 for et kalkstenkalibrert loggeverktøy.

Med henvisning til å begynne med til den epitermiske bortdøingshastighetsmålingen blir denne målingen utført ved tidsoppløsning av de epitermiske nøytronene detektert av i det minste en av de epitermiske nøytrondetektorene 14 og 15. Denne tidsoppløsningen gjøres innenfor elektronikken 20 nede i borehullet og elektronikken 17 og utenfor borehullet ved hjelp av kretsen generelt vist på fig. 4. Signalet fra en av de epitermiske nøytrondetektorene 14 eller 15 tilføres via en forsterker 25 og en pulshøydediskriminator 26 til et par tellere 28 og 29. Telleren 28 teller antall epitermiske nøytroner detektert i løpet av et første tidsintervallATI til det epitermiske bortdøingsintervallet AT. Telleren 29 teller antall epitermiske nøytroner detektert i løpet av det andre intervalletAT2 til det epitermiske bortdøingsinter-vallet AT. Telleren 29 teller antall epitermiske nøytroner detektert i løpet av et andre tidsintervallAT2 til det epitermiske bortdøingsintervallet AT. Antas at for eksempel et utbrudd av nøytroner begynner ved mellom t=0 og varer i 5 mikrosekunder, ville telleren 28 teller nøytroner i løpet avATI på fortrinnsvis fra t=10 til t=15mikrosekunder og telleren 29 ville telle nøytroner i løpet avAT2 på fortrinnsvis fra t=15til t=20ps. Telleverdiene fra tellerene 28 og 29 blir sendt opp til elektronikken 17 hvor et forholdssignal til disse to telleverdiene vil bli tilveiebrakt av for-holdskalkulatoren 30. Dette forholdssignalet er representativt for tidsoppløsningen til stigningene av epitermiske nøytronreaksjonshastigheten i løpet av det epitermiske bortdøingsspektrumet. Funksjonsformen 31 opererer på forholdssignalet for å omforme målt forhold til sann formasjonsporøsitet basert på et kjent forhold mellom et slikt forhold og sann porøsitet. Det er denne sanne porøsi-teten utledet fra den pulsede nøytronloggingen som er plottet som litologiuavhengig porøsitet på fig. 3. For ytterligere beskrivelse av en egnet krets for utføring av slik epitermisk bortdøingsmåling skal det henvises til det tidligere nevnte US-patent nr. 4 097 737.

Med henvisning til den totale epitermiske nøytrontelle-verdimålingen blir denne målingen utført ved å tilveiebringe en telleverdi for epitermiske nøytroner detektert av et par med avstand anbrakte detektorer 14 og 15 i løpet av tidsintervallet AT for det totale epitermiske bortdøingsspekt-rumet. Denne telleverdien blir tilveiebrakt innenfor elektronikken 20 nede i borehullet og elektronikken 17 utenfor borehullet vist på fig. 1 ved hjelp av kretsen generelt vist på fig. 5. Signalene fra de to detektorene 14 og 15 tilføres via f orsterkerene 40 og 41 henholdsvis og pulshøydediskriminatorene 42 og 43 henholdsvis til henholdsvis tellerene 46 og 47. Den totale telleverdien fra hver av tellerene 46 og 47 over det epitermiske bortdøingsinter-vallet AT blir sendt opp fra hullet og tilført en for-holdskalkulator 48. Forholdet til disse telleverdiene blir tilført til en funksjonsformer 49 som opererer på forholdssignalet for å omforme det målte forholdet til en tilsynelatende formasjonsporøsitet basert på et kjent forhold mellom et slikt forhold og tilsynelatende porøsitet for et loggeverktøy kalibrert i en kalkstenformasjon. Ved en foretrukket utførelsesform virker tellerene 46 og 47 som tidsintegratorer for å måle total telleverdi fra detektorene 14 og 15 for henholdsvis nær- og fjerntliggende nøytroner i løpet av formasjonens epitermiske bortdøingstid og det totale bortdøingsspektrumet. Nærmere bestemt bidrar denne delen av det totale bortdøingsspektrumet til epitermisk bortdøings-formasjon forekommer etter borehullsepitermisk bortdøing har blitt neglisjerbar og før termisk bortdøing blir merkbart. Disse tre bortdøingskomponentene kan bli nærmere sett med henvisning til fig. 6 og 7 som viser tre komponenter for detektorer 14 og 15 for henholdsvis nærliggende og fjerntliggende detektering. Fra fig. 6 og 7 fremgår det at det er ønskelig å tidsintegrere bortdøingsspektrumet fra begge detektorene for å bestemme det skraverte arealet under bortdøingskurven på fig. 6 mellom tidene T^jj og T2N for nærliggende detektering og på fig. 7 mellom tidene T-^p og T2Ffor fjerntliggende detektering. Tidene T^jj og Tgft og tidene<T>1F °S ^2F definerer følgelig tidsintervalleneATjj og ATp for integrering av nøytrontelleverdier fra detektorer fra henholdsvis nærliggende og fjerntliggende detektering som mål for formasjonens epitermiske nøytronbortdøing med neglisjerbar effekt fra borehullsepitermiske nøytroner og fra termiske nøytroner.

Ved identifiseringen av disse tidsintervallene aTjjog ATp er det generelt vanskelig å etablere tidene T^jj,<T>2N» T^p og T£p nøyaktig for et tre-komponentbortdøingsspektrum hvor tidene ^1N °S ^1F forekommer ved en del av bortdøingskurvene som representerer effekten fra både enden av borehullets epitermiske bortdøingsperiode og starten av formasjonens epitermiske bortdøingsperiode og hvor tidene T2Nog T2Fforekommer ved en del av bortdøingskurven som representerer effekten fra både enden av formasjonens epitermiske bortdø-ingsperiode og starten av den termiske nøytronbortdø-ingsperloden. Disse tidene kan bli valgt på forhånd ved antagelse av at T-^og T^p har blitt forsinket lenge nok for borehullets epitermiske komponent for å bli ved et neglisjer-bart nivå og T2Nog T2p er tidlig nok for at den termiske komponenten fremdeles er neglisjerbar. Den mest foretrukne metoden er imidlertid å analysere alle tre komponentene samtidig basert på kjente modellparametere for nøyaktig å velge Tin»<T>2NtT^p og T2p. En slik analyse for målinger av fjj og fp for detektorer for fjerntliggende og nærliggende detektering er henholdsvis som følgende: og

hvor: a = målt nøytronintensitet (det vil si telleverdier pr. enhetstid)

jj = tidskonstant (det vil si invers enhetstid)

t = tid

k = indekser for: 1 for borehullepitermisk bortdøingskomponent 2 for formasjonepitermisk bortdøingskomponent 3 for termisk bortdøingskom-ponent

N = detektor for nærliggende detektering

F = detektor for fjerntliggende detektering

Det er nå mulig å integrere arealet under bortdøingskurven for tidsintervallet til aTjj mellom T^jj og T 2u og for ATp mellom T^p og T2p som innbefatter kun formasjonskomponenten. For nærdetektoren gir en slik tidsintegrering et mål for total formasjonepitermisk nøytrontelleverdi som følgende:

For fjerndetektoren gir en slik tidsintegrering et mål for total formasjonepitermisk nøytrontelleverdi som følgende:

Et forhold R kan nå bli etablert uttrykt ved kjente modellparametere fra ligningene (3) og (4) som følgende:

Dette forholdet R er representativt for tidsintegralet til formasjonepitermisk nøytrontelleverdi fra formasjonepitermisk bortdøingskomponent for det totale bortdøingsspektrumet som målt av nær- og fjerndetektorer. For en detaljert beskrivelse av en tre-komponentbortdøingsalgoritme som kan bli anvendt ved pulset nøytronporøsitetslogging ifølge foreliggende oppfinnelse for å identifisere modellparametere a og jj for formasjonepitermisk nøytronbortdøingskomponenter for borehullepitermiske nøytronkomponenter skal det henvises til PCT-publikasjon 89/01888 med nr. W0 89/11108.

Forholdet R blir så omformet til en tilsynelatende porøsitet basert på et kjent forhold mellom et slikt forhold og tilsynelatende porøsitet utledet fra kalibreringen av loggeverktøyet i en kalkstenformasjon. Det er denne tilsynelatende porøsiteten, utledet fra den pulsede nøytron-loggemålingen av forholdet R, som er plottet som litologiavhengig porøsitet på fig. 3.

Slik som ovenfornevnte fremgangsmåte ifølge foreliggende oppfinnelse er beskrevet i forbindelse med bestemte utførel-sesformer skal det bemerkes at det er mulig å modifisere disse uten at dette faller utenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for porøsitetslogging ved hjelp av en pulset nøytronkllde, innbefattende a) gjentagende bestråling av en underjordisk formasjon med utbrudd av hurtige nøytroner, b) måling av bortdøingshastigheten til epitermiske nøytroner i løpet av et bortdøingsspektrum for de epitermiske nøytronene innenfor den bestrålte underjordiske formasjonen hovedsakelig mellom hvert av utbruddene av faste nøytroner som et første mål på en litologisk uavhengig porøsitet for den underjordiske formasjonen,karakterisertved c) måling av en telleverdi for epitermiske nøytroner i løpet av et bortdøingsspektrum for de epitermiske nøytronene innenfor den bestrålte underjordiske formasjonen mellom hver av utbruddene til hurtige nøytroner som et andre mål på litologiavhengig porøsitet av den underjordiske formasjonen, og d) kombinering av målingene for epitermisk nøytronbort-døingshastighet og epitermisk nøytrontelleverdi for å tilveiebringe en indikasjon på underjordisk formasjons-litologi.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved a) at trinnet for måling av bortdøingshastigheten til epitermiske nøytroner innbefatter tidsoppløsning av epitermisk nøytron i løpet av bortdøingsspektrumet, og b) at trinnene for å måle telleverdien til epitermiske nøytroner innbefatter tidsintegrering av epitermiske nøytroner i løpet av bortdøingsspektrumet.