NO318301B1 - Akseleratorbaserte fremgangsmater og apparat til maling under boring - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt undersøkelsen av undergrunnsformasjoner samtidig med boring av et borehull gjennom disse og mer bestemt fremgangsmåter og utstyr til å foreta nøytronakseleratorbaserte målinger under boring. I sine videste henseender angår visse av de viste fremgangsmåtene også kabellogging.

Måling av porøsiteten i undergrunnsformasjoner som omgir et brønnhull ved hjelp av svekking av nøytronfluks med avstand fira nøytronkilden er velkjent i kabellogging. Spesielt er epitermiske loggeverktøy følsomme for hydrogentettheten eller -konsentrasjonen i en formasjon. Da hydrogen generelt finnes i formasjonsfluider, er hydrogenkonsentrasjonen forbundet med mengden av porerom og således formasjonsporøsitet. For en gitt porøsitet kan imidlertid en økning i bergartsmatrikstettheten (med bibehold av samme kjemiske sammensetning av bergartmatriksen) få en epitermisk nøytrondetektortellerate (for en avstand på f.eks. 60 cm mellom kilde og detektor) til å minke. Denne forandringen i tellerate går i samme retning som tilfelle ville være hvis porøsiteten økte for en gitt bergartmatrikstetthet. Således kan en nøytronporøsitetsmåling ikke i seg selv utvetydig bestemme porøsiteten til en formasjon av ukjent sammensetning.

Det er følgelig vanlig i kabellogging å foreta volumtetthetsmålinger av den interessante formasjon og kjøre et annet verktøy, basert på compton-spredning av gammastråler fra elektroner, og med det samme dybdeintervall som nøytronporøsitetsverktøyet. En økning i bergartsmatrikstettheten forårsaker altså en reduksjon i detektorens tellerate i tetthetsverktøyet. Hvis på den annen side porøsiteten øker for en gitt bergartsmatrikstetthet, øker tetthetsverktøydetektorens tellerate. Forandringer i bergartsmatrikstetthet og porøsitet har således komplementære virkninger på nøytronporøsitets- og compton-spredningstetthetsverktøy, idet disse virkninger kan avbøtes med kryssplotting av responsene til de to verktøy. Ved bruk av slike kryssplott, kan fysikken nøstes opp og forandringer i bergartsmatrikstetthet og sammensetning (Htologi) kan bestemmes. Fordi inklusjonen av gass i bergartsmatriksporerommene også påvirker nøytronporøsitets- og tetthetsverktøyresponsene, er det mulig under visse omstendigheter å detektere nærværet av gass ved hjelp av nøytron/tetthets kryssplott.

Selv om slike kabelporøsitets- og tetthets loggeverktøy gir mye nyttig informasjon vedrørende undergrunnsformasjoner, blir de nødvendigvis benyttet bare etter at borehullet er boret og borestrengen fjernet, hvilket kan skje timer eller til og med dager etter at borehullet er blitt dannet. Følgelig kan formasjonen og borehullet ha gjennomgått forandringer som maskerer eller overskygger de petrofysiske egenskaper under undersøkelse. For eksempel kan både invasjonen av borevæske i formasjonen og dannelse av slamkake på borehullveggen på en uheldig måte påvirke mange målinger, herunder både gammastrålevolumtetthetsmålingen og nøytronporøsitetsmålingen. Begge målinger ble også påvirket av slamkaketetthet, så vel som av eventuelt forekommende avskalling eller innstyrting av borehullveggen. Ytterligere ulemper ved kabelverktøy innbefatter tap av boretid og utgiften og forsinkelsen ved opphaling av borestrengen for å sette kabelverktøyet i stand til å senkes ned i borehullet. Det ville derfor være ganske fordelaktig om tetthet- og nøytronporøsitetsmålingene, så vel som andre målinger av interesse, kunne utføres under boreoperasjonen.

Det har i kjent teknikk vært gjort forsøk på å skaffe kjernefysisk formasjonsevaluering (gammastråletetthet eller nøytronporøsitet) under boring, se f.eks. US-A 4 596 926, 4 698 501, 4 705 944, 4 879 463 og 4 814 609. Den vanlige volumtetthetsmålingsmetode krever imidlertid en gammastrålekilde, typisk en <137>Cs isotopkilde. De vanlige nøytronporøsitets-målemetoder benytter likeledes en kjemisk isotopkilde slik som AmBe. Slike radioaktive kjemiske kilder har innlysende ulemper fra et strålingssikkerhetssynspunkt. Dette er spesielt av betydning i bruk ved målinger under boring, hvor driftsforholdene gjør tap av kilden mer sannsynlig og dens gjenfinning vanskeligere enn ved kabeloperasjoner. Faktisk har de anvendte patenter vedrørende teknikken for måling under boring i vesentlig grad fokusert på å forhindre tap, eller om tap har funnet sted, på gjenfinning av slike kjemiske kilder.

Selv om akseleratorbaserte kabelporøsitetsverktøy nylig er blitt utviklet, se f.eks. US-A 4 760 252 (Albats o.a.) er slike verktøy ikke direkte overførbare til applikasjoner ved måling under boring på grunn av de perturberende effekter på verktøyresponser som skyldes de store mengder stål og borevæske som foreligger i slike applikasjoner. Dessuten er det for tiden ikke noe praktisk og økonomisk akseleratorbasert alternativ til l37Cs-gammastrålekilden for tetthetslogging. Det foreligger derfor behov for et akseleratorbasert verktøy til måling under boring og som ville eliminere behovet for radioaktive kjemiske kilder til vanlige nøytronporøsitets- og volumtetthetsverktøy.

I henhold til et trekk ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes et apparat til måling under boring for måling av egenskapene til undergrunnsformasjoner som omgir et borehull som bores av en borkrone på enden av en borestreng, omfattende et langstrakt verktøy i borestrengen og en nøytronakselerator i vektrøret for å bestråle de omgivende undergrunnsformasjoner med høyenergetiske nøytroner kjennetegnet ved at det er anordnet en borevæskekanal inne i vektrøret på siden av dets lengdeakse, en første nøytrondetektor i vektrøret på en første avstand fra akseleratoren i vektrørets lengderetning, idet den første nøytrondetektor har et utgangssignal som hovedsakelig er proporsjonalt med akseleratornøytronfluksen, og at akseleratoren og den første detektor er eksentrisk anordnet på den annen side av vektrørets lengdeakse og hovedsakelig koaksialt innrettet med hverandre, en annen nøytrondetektor som er bakskjermet mot nøytroner som kommer inn fra borehullet, og tett tilstøtende inne i veggen av vektrøret på en annen, fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen til vektrøret, idet den annen nøytrondetektor er følsom for epitermiske nøytroner og har et utgangssignal som primært reagerer på hydrogenkonsentrasjonen i den omgivende formasjon og bare sekundært reagerer på tettheten til den omgivende formasjon, en tredje strålingsdetektor i vektrøret på en tredje, enda større avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret, idet den tredje detektor hovedsakelig er koaksialt innrettet med akseleratoren og den første detektor og har et utgangssignal som er mer følsomt overfor tettheten til den omgivende undergrunnformasjon og mindre følsomt overfor hydrogenkonsentrasjonen i den omgivende jordformasjon enn den annen detektor, en anordning for å definere et nøytronvindu i vektrøret umiddelbart tilstøtende den annen nøytrondetektor og en anordning for å registrere de respektive utgangssignaler fra den første, annen og tredje detektor som en funksjon av borehulldybden.

I henhold til et annet trekk ved den foreliggende oppfinnelse skaffes en fremgangsmåte for å måle egenskaper i jordformasj oner som omfatter et borehull som bores av en borkrone ved enden av en borestreng, hvor fremgangsmåten omfatter å skaffe et langstrakt vektrør i borestrengen og er kjennetegnet ved å anordne en borevæskekanal inne i vektrøret på en side av dets lengdeakse, å bestråle undergrunnsformasjonen med høyenergetiske nøytroner fra en nøytronakselerator i vektrøret, å detektere strålingen med en første detektor i vektrøret på en første avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret slik at den første nøytrondetektor får et utgangssignal som primært er proporsjonalt med akseleratornøytronfluksen, idet akseleratoren og den første nøytrondetektor er anordnet eksentrisk på den annen side av vektrørets lengdeakse og hovedsakelig koaksialt innrettet med hverandre, å detektere strålingen med en annen nøytrondetektor som er bakskjermet mot nøytroner som kommer inn fra borehullet, og tett anordnet tilstøtende innerveggen av vektrøret på en annen, fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen av verktøyet, slik at den annen detektor er følsom for epitermiske nøytroner og har et utgangssignal som primært reagerer på hydrogenkonsentrasjonen i den omgivende jordformasj onen og bare sekundært reagerer på tettheten til den omgivende jordformasjon, å detektere strålingen med en tredje strålingsdetektor i vektrøret på en tredje, enda fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen av borestrengen, slik at den tredje detektor har et utgangssignal som reagerer sterkt på tettheten til den omgivende jordformasjon og mindre sterkt på hydrogenkonsentrasjonen i den omgivende jordformasjon enn den annen detektor, idet den tredje detektor hovedsakelig er koaksialt innrettet med akseleratoren og den første detektor, å anordne et nøytronvindu i vektrøret umiddelbart tilstøtende den annen nøytrondetektor, å kombinere utgangssignalene fra de første, andre og tredje detektorer for å skaffe en indikasjon på porøsiteten, tettheten og/eller litologien til den omtivende jordformasjonen, og å registrere utgangssignalene fra den første, annen og tredje detektor som en funksjon av minst borehulldybden og asimutorienteringen inne i borehullet.

Typisk blir nærdetektorens utgangssignal til å normalisere de andre detektorutgangssignalene for kildestyrkefluktuasjon. Det normaliserte utgangssignal fra den mellomliggende epitermiske nøytrondetektor og det normaliserte utgangssignal fra fjerndetektoren kombineres på en måte som begrepsmessig er lik det vanlige nøytronporøsitets-tetthetskryssplott for å skaffe målinger av formasjonsporøsitet, volumtetthet og litologi og/eller for å detektere gass. Målingene blir utført og registrert som en funksjon av borehulldybden og vinkel-eller asimutorienteringen i borehullet.

Nærdetektoren er foretrukket en epitermisk nøytrondetektor skjermet av et nøytronmodererende og -absorberende materiale for hovedsakelig å være ufølsom overfør nøytroner som kommer fra formasjonen. Alternativt kan den omfatte MeV-nøytron detektor, så som en <4>He-detektor eller en væskescintillator-nøytrondetektor, skjermet av et materiale med høy Z. Den på mellomavstanden anordnede epitermiske nøytrondetektor kan være en av en rekke detektorer på tilsvarende avstand og danne en detektorgruppe. Gruppen kan innbefatte en rekke like epitermiske detektorer anordnet sirkumferensielt omkring innerveggen av vektrøret for å skaffe forbedret horisontal oppløsning. En eller flere gammastråledetektorer og/eller termiske nøytrondetektorer kan også være innbefattet i gruppen. Om ønsket kan gruppedetektorene være vertikalt adskilt for forbedret vertikal oppløsning. Fjerndetektoren er foretrukket en gammastråledetektor, men kan også omfatte en høyenergetisk (>0,5 MeV) nøytrondetektor, f.eks. en <4>He- eller væskescintillator. Alternativt kan det være anordnet både en gammastråle- og en nøytronfjerndetektor. Når en væskescintillator benyttes, kan den være konfigurert for å detektere både nøytroner og gammatråler.

Et vindu som er gjennomsiktig for nøytroner er foretrukket anordnet motsatt hver nøytrondetektor i detektorgruppen for ytterligere å øke formasjonsfølsomheten og undersøkelsesdybden. En foretrukket konstruksjon av nøytronvinduet innbefatter et materiale med lavt spredningstverrsnitt, så som titan kledd i bor eller andre nøytronabsorberende materialer for å minimere nøytronlekkasje inne i vektrøret. Et ytre nøytronabsorberende lag, dannet med åpninger i stedet for nøytronvinduene, kan også være anordnet for ytterligere å redusere nøytronstrømmen inne i vektrøret. Som en alternativ nøytronvindukonstruksjon kan tverrgående og/eller langsgående lag av nøytronabsorberende materialer være anordnet i vektrøret for å svekke nøytronstrømmen i lengde- og/eller omkretsretningen i dette.

I tillegg til den tidligere nevnte kryssplotteteknikk, kan utgangssignalene fra mellomdetektorene og fjernavdetektorene også behandles separat, om ønsket, for å skaffe en annen informasjon av interesse. For eksempel kan målinger av porøsitet og avstand utledes fra forsinkelsestidskurven generert av den eller de epitermiske nøytrondetektorer i gruppen, og informasjon vedrørende den kjemiske sammensetning av formasjonen kan fås med en spektralanalyse av gammastråleenergispektra registrert med gammastrålegruppedetektoren. En slik spektralanalyse kan alternativt være basert på utgangssignalene fra fjernavstandsdetektoren når denne detektoren detekterer gammastråler. Den termiske nøytrondetektors utgangssignal er anvendelig for å bestemme formasjonsmakroskopiske innfangingstverrsnitt og til måling av avstand. Det makroskopiske innfangingstverrsnitt for termiske nøytroner eller dets korrelativ, spaltningstidskonstanten for termiske nøytroner, kan også bestemmes fra gammastråledetektorutgangssignalet. Disse ytterligere målinger er anvendelige alene eller til tolking av grunnkryssplott-presentasjonen.

Hensiktene, trekkene og fordelene ved opprinnelsen vil ytterligere fremgå av den følgende beskrivelsen av representative utførelser av denne, tatt i samband med den ledsagende tegning, hvor

fig. 1 viser et skjematisk diagram, delvis på blokkform, av en utførelse av et apparat til måling under boring og konstruert i samsvar med oppfinnelsen og innbefatter en borestreng opphengt fra en roterende boreplattform,

fig. 2 viser et vertikalt tverrsnitt delvis på skjematisk form av en utførelse av undermontasjen for ned-i-hullsmålingen, innbefattet nøytronakseleratoren og de forbundne strålingsdetektorer,

fig. 3 viser et horisontalt tverrsnitt tatt langs linjen 3-3 på fig. 2 og gjengir det foretrukkede sted for nærdetektorene relativt til vektrøret,

fig. 4 viser et horisontalt tverrsnitt tatt langs linjen 4-4 på fig. 2 og gjengir konfigurasjonen av gruppedetektorene og de forbundne nøytronvinduene relativt til vektrøret,

fig. 5 viser et delvis horisontalt tverrsnitt og gjengir en annen konfigurasjon av en gruppedetektor for epitermiske nøytroner og dennes forbundne nøytronvindu,

fig. 6 viser et delvis vertikalt tverrsnitt med en annen utførelse av undermontasjen for ned-i-hullsmåling og gjengir en alternativ utførelse av et nøytronvindu.

fig. 7 viser et ytre riss tatt langs linjen 7-7 på fig. 6 og gjengir den ytre konfigurasjon av et nøytronvindu på fig. 6,

fig. 8 viser et ytre riss svarende til fig. 7, og gjengir den ytre konfigurasjon av en annen utførelse av et nøytronvindu,

fig. 9 viser et kryssplott av den inverse normaliserte fluksen for en nærdetektor for epitermiske nøytroner med hensyn på den inverse normaliserte fluks fra en

fjerndetektor for gammastråler eller nøytroner, som bestemmes ved hjelp av Monte Carlo-modellering av det akseleratorbaserte verktøy på fig. 2,

fig. 10 viser et kryssplott av hydrogenindeks med hensyn på invers fluks ved forskjellige nøytron- og gammastråleenergier og avstand mellom kilde/detektor for en rekke standard litologier som bestemt fra Monte Carlo-modellering av det akseleratorbaserte verktøy på fig. 2,

fig. 11 viser et kryssplott av invers eV- eller MeV-nedbremsingslengde med hensyn på eV- og MeV-nøytronfluks for en fjerndetektor i en rekke standard litologier,

fig. 12 viser et kryssplott av hydrogenindeks med hensyn på

nøytronnedbremsingslengde ved både eV- og MeV-nøytronenergiområder i tre standard litologier,

fig. 13 viser et kryssplott av den normaliserte inverse nøytron fluks ved en gruppe detektorer med hensyn på normalisert invers MeV-fluks i en fjerndetektor i tre standard litologier,

fig. I4A viser en overflaterepresentasjon av et tetthet nedbremsingslengde-følsomhetsforhold for epitermiske nøytroner som en funksjon av kjemisk element-og hydrogenindeks for porøs sandsten,

fig. 14B viser en overflatepresentasjon av tetthet nedbremsingslengde-følsomhetsforholdet for MeV-nøytroner som funksjon av kjemisk element- og hydrogenindeks for porøs sandstein,

fig. 15A viser en projeksjon av overflatepresentasjonen på fig. 14A,

fig. 15B viser en projeksjon av overflatepresentasjonen på fig. 14B,

fig. 16 viser et kryssplott av hydrogenindeks med hensyn på gjennomsnittlig tetthet nedbremsingslengde-følsomhetsforhold for en delvis gassmettet formasjon og en delvis kaolinittleirholdig formasjon.

Den foreliggende oppfinnelse er spesielt nyttig i anvendelse ved måling under boring, og en slik anvendelse er vist på fig. 1 på tegningen. I denne henseende og med mindre ellers angitt, er måling under boring (også kjent som mål under boring og logge-under-boring) som benyttet her ment å innbefatte registreringen av data og/eller utførelsen av målinger i et borehull i jorden, med borkronen og i det minste noe av borestrengen i borehullet under boring, opphold, og/eller opphaling. Det vil imidlertid forstås at visse trekk ved oppfinnelsen også vil kunne anvendes på kabellogging.

Som vist på fig. 1, blir en plattform og et boretårn 10 anbrakt over et borehull 12 som dannes i jorden ved rotasjonsboring. En borestreng 14 er opphengt i borehullet og innbefatter en borkrone 16 på dens nedre ende. Borestrengen 14 og borkronen 16 festet til denne, dreies av at rotasjonsboret 18 (drevet ved ikke viste midler) som kommer til inngrep med en kelly 20 ved den øvre enden av borestrengen. Borestrengen er opphengt fra en krok 22 festet til en løpeblokk (ikke vist). Kellyen er festet til kroken med en roterende svivel 24 som tillater rotasjon av borestrengen relativt til kroken. Alternativt kan borestrengen 14 og borkronen 16 drives fra overflaten av en borerigg av toppdrevet type.

Borevæske eller -slam 26 er inneholdt i en slamgrop 28 like ved boretårnet 10. En pumpe 30 pumper borevæsken inn i borestrengen via en åpning i svivelen 24 slik at den strømmer nedad (angitt ved strømningspilen 32) gjennom sentrum av borestrengen 14. Borevæsken kommer ut av borestrengen via åpninger i borkronen 16 og sirkulerer deretter oppad i ringrommet mellom yttersiden av borestrengen og omkretsen av borehullet, som angitt ved strømningspiler 34. Borevæsken smører derved borkronen og fører formasjonskaks til jordens overflate. Ved overflaten føres borevæsken til slamgropen 28 for resirkulasjon. Om ønsket kunne en avviksboremontasje (ikke vist) med en slammotor med et bøyd hus eller en forskjøvet muffe også benyttes.

Innenfor borestrengen 14, foretrukket nær borkronen 16, er det montert en bunnhullmontasje (angitt generelt med henvisningstall 36), som innbefatter undermontasjer for å foreta målinger, behandle og lagre informasjon og kommunisere med jordoverflaten. Foretrukket er bunnhullmontasjen plassert innenfor flere vektrørlengder fra borkronen 16.1 den viste bunnhullmontasjen på fig. 1 er en stabilisatorrørseksjon 38 vist umiddelbart ovenfor borkronen 16, fulgt i oppadretningen av en vektrørseksjon 40, en annen stabilisatorrørseksjon 42 og en annen vektrørseksjon 44. Denne montasje av vektrør og stabilisatorrør er bare ment som en illustrasjon og andre montasjer kan naturligvis benyttes. Behovet for eller ønsket om stabilisatorrør vil avhenge av borebetingelsene. I utførelsen vist på fig. 1 er komponentene til undermontasjen for ned-i-hullsmåling foretrukket anbrakt i vektrørseksjonen 40 over stabilisatorrøret 38. Slike komponenter kunne om ønsket, være plassert nærmere eller fjernere fra borkronen 16, så som for eksempel enten i stabilisatorrørseksjonen 38 eller 42 eller vektrørseksjonen 44.

Bunnhullmontasjen 36 innbefatter også en telemetriundermontasje (ikke vist) for data- og kontrollkommunikasjon med jordoverflaten. Et slikt apparat kan være av enhver egnet type, f.eks. et slampuls- (trykk eller akustisk) telemetrisystem som vist i US-A 5 235 285 og som mottar utgangssignaler fra datamålesensorene og overfører kodede signaler representative for slike utgangssignaler til jordoverflaten hvor signalene detekteres, dekodes i et mottakerundersystem 46 og leveres til en prosessor 48 og/eller en registrator 50. Prosessoren 48 kan omfatte enhver egnet programmert digital eller analog datamaskin og registratoren 50 omfatter foretrukket en vanlig registratorplotter for å foreta en vanlig visuell og/eller magnetisk dataregistrering som en funksjon av borehulldybden. Et overflatesysten 52 kan også være anordnet for å skaffe nedadgående kommunikasjon med bunnhullmontasjen 36, som vist f.eks. i det ovennevnte US-A 5 235 285.

Bunnhullmontasjen 36 innbefatter foretrukket også vanlig innsamlings- og behandlingselektronikk (ikke vist) bestående av mikroprosessorsystem (med forbundne klokke- og tidsstyringskretser og grensesnittkretser) som er i stand til å tidsstyre driften av akseleratoren og datamålesensorene og lagre data fra målesensorene og behandle dataene og lagre resultatene og kople hver ønsket del av dataene til telemetrikomponentene for overføring til overflaten. Alternativt kan data lagres ned-i-hulls og hentes til overflaten ved fjerning av borestrengen. Passende ned-i-hullskretser for disse formål er beskrevet i US-A 4 972 082 og 5 051 581. For å lette elektrisk forbindelse og signaloverføring mellom måle-undermontasjen, datainnsamlings- og behandlings-undermontasjen og datatelemetrimontasjen er disse komponentene foretrukket plassert tilstøtende hverandre i borestrengen. Hvor dette ikke er mulig, kan datakommunikasjonssystemet i det ovennevnte US-A 5 235 285, som sørger både for lokal ned-i-hullskommunikasjon ved korte avstander og kommunikasjon ned-i-hulls til overflaten, benyttes. Kraft for ned-i-hullselektronikken kan skapes av et batteri eller som kjent i teknikken av en ned-i-hullsturbingenerator drevet av borevæsken.

En foretrukket utførelse av undermontasjen for bunnhullmålene er vist på figurene 2-4, hvor vektrørseksjonen 40 er vist omgivende en rustfri stålverktøy/-ramme 54.

Vektrøret kan være av en hvilken som helst passende størrelse, f.eks. ha en utvendig diameter på 8" og en innvendig diameter på 5". Dannet i rammen 54 på en side av dens lengdeakse, som best vist på figur 3 og 4, er en slamkanal 56 som strekker seg i lengderetningen for å føre borevæsken nedad gjennom borestrengen. Eksentrisk anordnet på den annen side av rammen 54 er en nøytronakselerator 58, dens forbundne kontroll- og høyspenningsteknikkpakke 60 og koaksialt innrettet, nærdetektor 62. Akseleratoren er foretrukket av en kilde av D-T-typen (14 MeV) som kjent i teknikken.

I henhold til oppfinnelsen skal næravstandsdetektoren 62 primært reagere på akseleratorutgangssignalet med minimal påvirkning fra formasjonen. For dette formål kan detektoren 62 omfatte en epitermisk nøytrondetektor, f.eks. en <3>He-proporsjonalteller som er plassert tett ved akseleratoren uten mellomliggende høytetthetsskjerming. Det følsomme volum av detektoren 62 er kledd i kadmium eller med et annet materiale (ikke vist) med høyt innfangingstverrsnitt for termiske nøytroner for å øke deteksjonsterskelen til termiske nivåer. Detektoren 62 er også omgitt, foretrukket på alle overflater bortsett fra den som støter til akseleratoren 58, av et skjold 64 av et kombinert nøytronmodererende og nøytronabsorberende materiale, så som borkarbid (eller en annen absorbator av typen l/v) fordelt i et epoksybindemiddel ("B4CE") eller et annet hydrogenholdig materiale. Mer detaljert informasjon vedrørende strukturen og funksjonen til skjoldet for en slik næravstands <3>He-detektor er gitt i US-A 4 760 252.

Alternativt kan nærdetektoren 62 være en detektor for høyere energi (MeV), så som <4>He-detektoren, omgitt av wolfram, "heavimet" eller annen skjerming med høy 2 for både å skjerme detektoren mot formasjonen og multiplisere antall nøytroner som ikke kommer fra formasjonen og faller innenfor detektoren. Multiplikasjonsvirkningen skyldes det store tverrsnitt (n, 2n) og (n, 3n) til materialet med høy Z som omdanner 14 MeV-nøytroner til to eller tre nøytroner under omtrent 6 MeV, hvor <4>He-spredningstverrsnittet er stort.

Således vil skjerming med høy Z ikke bare redusere følsomheten til nærdetektorsignalet overfor formasjonspredte nøytroner, men den sikrer effektivt også nøytronfluksen fra kilden (14 MeV) langs verktøyet.

Hvis som ovenfor beskrevet fjernnøytrondetektorer B4CE (eller lignende modererende og absorberende) materialer kan nedbremsingsevnen til hydrogen i B4CE benyttes til ytterligere å redusere energien til nøytroner, mens absorbsjonsevnen til bor tjener til å svekke den lavenergetiske nøytronfluks. Ordningen av skjermingsmaterialene, høy Z-materialene nær nøytronkilden og B4CE- (eller lignende) materialer som følger, er kritisk og den omvendte orden er ineffektiv med hensyn til skjerming mot høyenergetiske nøytroner.

Uansett om næravstandsdetektoren 62 er en eV-detektor eller en MeV-detektor, bør den kombinerte virkning av deteksjonsenergi, plassering og skjerming av nærenergi, være slik at detektorutgangssignalet blir forholdsvis ufølsom overfor formasjonsporøsitet og primært proporsjonal med nøytronfluksen fra akseleratoren. Utgangssignalet fra nærdetekttoren 62 kan deretter benyttes til å normalisere de andre utgangssignaler med hensyn til kildestyrkefluktuasjon.

Plassert i lengderetningen tilstøtende næravstandsdetektoren 62 er en rekke eller en gruppe av detektorer 66a, 66b, 66c og 66d. Gruppen innbefatter minst én og foretrukket mer enn én epitermisk nøytrondetektor og minst én gammastråledetektor og én eller flere termiske nøytrondetektorer kan etter valg være innbefattet. Som vist gjengitt på fig. 4, er det to epitermiske detektorer 66a og 66b en termisk nøytrondetektor 66c og en gammastråledetektor 66d. Et annet antall eller en blanding av detektorer kan være anordnet om ønsket.

Hovedformålet med de epitermiske detektorer 66a, 66b er å måle den epitermiske nøytronfluks i formasjonen på en avstand som er tilstrekkelig nær nøytronkilden til å minimere eller i det minste signifikant redusere virkningen på detektorutgangssignalene for tyngre formasjonselementer så som oksygen, silisium, karbon, kalsium som dominerer volumtettheten og for å maksimere eller i det minste signifikant forbedre virkningen av formasjonshydrogen på detektorutgangene. Anordnet slik vil den epitermiske nøytrondetektorrespons primært være avhengig av hydrogenindeksen, men bare en residuell litologi effekt. For å forbedre følsomheten overfor formasjonen, er de epitermiske detektorer 66a og 66b som kan være He-proporsjonaltellere, foretrukket plassert tett tilstøtende vektrørveggen og bakskjermet, som vist ved 68a og 68b for å redusere borehullets nøytronfølsomhet. Skjermingsmaterialet er foretrukket det samme som tidligere beskrevet i forbindelse med nærdetektoren 62, det vil si kadmiumkledning og B4CE. Som beskrevet mer fullstendig nedenfor, er nøytrongjennomsiktige vinduer 70a og 70b foretrukket dannet i vektrøret for ytterligere å forbedre detektorfølsomheten og skaffe en større undersøkelsesdybde.

Som vist på fig. 4, er de epitermiske nøytrondetektorer 66a, 66b og de forbundne vinduer 70a, 70b foretrukket adskilt sirkumferensielt på vektrøret 40 for forbedret vinkel- eller asimutoppløsning. En hvilken som helst ønsket omkretsavstand mellom detektorene kan benyttes. Selv om detektorene 66a, 66b er vist med den samme lengdeavstand fra akseleratoren 58, kunne én eller flere ytterligere detektorer være anordnet i forskjellige lengdeavstander for forbedret vertikal oppløsning. Omkretsadskilte og horisontalt adskilte detektorgrupper så vel som ytterligere detaljer vedrørende konfigurasjonen av individuelle detektorer og deres skjerming er beskrevet mer detaljert i US-A 4 760 252 og 4 972 082. Den høye romlige oppløsning til nedbremsingstidsmålingen, som beskrevet i US-A 4 972 082, gjør asimuttmålingen av nedbremsingstiden i henhold til foreliggende oppfinnelse av særskilt interesse og verdi. Det skal bemerkes at kilde-/detektoravstandene beskrevet i patentene 4 760 252 og 4 972 082 gjelder for kabelverktøy. Noe større avstander bør anordnes i et verktøy til måling under boring for å ta hensyn til det faktum at detektorene ser på formasjonen gjennom vektrøret.

Den termiske nøytrondetektor 66c kan likeledes være en <3>H-proporsjonalteller

skjermet som ved 68c tilsvarende de epitermiske detektorer 66a, 66b, bortsett fra at kadmiumkledningen er utelatt på formasjonssiden for å gjøre detektorene følsomme overfor formasjonsnøytroner. Et nøytrongjennomsiktig vindu 70 kan være anordnet i vektrøret 44 tilstøtende den termiske detektor 66c. Ytterligere termiske nøytrondetektorer kan bli anordnet etter behov for å skaffe den ønskede horisontale og/eller vertikale oppløsning. Utgangssignalene fra de termiske nøytrondetektorer 66c kan behandles som beskrevet i de innbefattede partier av US-A 4 760 252 for å utlede en porøsitetsmåling for termiske nøytroner og/eller i samsvar med læren i US-A 5 235 185 for å utlede målinger av formasjonens £ og avstand til loggesender (standoff).

Gammastråledetektoren 66d kan omfatte hvilken som helst passende type detektor, så som Nal, BGO, Csl, antrasen etc, men er foretrukket en ceriumaktivert gadolinum-ortosilikat-(GSO)detektor som vist til US-A 4 647 781 og 4 883 956. Som vist i disse patenter, er GSO-detektoren foretrukket omgitt av bor for å redusere virkningen av termisk og epitermiske nøytroner på detektorresponsen. Dertil kan et wolframskjold eller et annet skjold (ikke vist) med høy tetthet være anordnet mellom akseleratoren 58 og GSO-detektoren 66d for å redusere fluksen av høyenergetiske nøytroner som kommer inn i detektoren.

Selv om det ikke er vist skal det forstås at egnede tidsstyrings- og kontrollkretser kan være anordnet for å drive akseleratoren 58 i en pulsmode og styre detektoren 66d etter behov for selektivt å detektere uelastiske og/eller innfangede gammastråler. Energideteksjonsområdet er foretrukket bredt, f.eks. fra 0,1 til 11 MeV. Et hovedformål med detektoren 66d er å skaffe energispektra for uelastiske og/eller innfangede gammastråler og energivindutellerater. Spesielt kan energispektrene analyseres spektralt for å utlede informasjon vedrørende elementsammensetningen av formasjonen under undersøkelse. Den foretrukne metode for analyse av spektraldata fra gammastråledetektoren 66d for å skaffe elementspektroskopisk og litologisk informasjon er beskrevet i US-A 5 440 118 (Roscoe).

Kort fortalt blir i henhold til Roscoe uelastiske spredte gammastrålespektra analysert ved en minste kvadraters spektral tilpasningsprosess for å bestemme relative elementbidrag dertil fra kjemiske elementer postulert foreligger i en ukjent grunnformasjon og som bidrar til de målte spektra fra formasjonen. De relative uelastiske utbytter for silisium, kalsium og magnesium kalibreres for å gi likefremme estimater for å de respektive elementkonsentrasjoner for disse elementer og av de volumetriske fraksjoner av elementene eller forbundne bergartstyper, så som sandstein, kalkstein og dolomitt, i formasjonen. Forholdet mellom de relative uelastiske utbytter for magnesium og kalsium skaffer en indikasjon på graden av dolomittisering av en formasjon. Basert på de kalibrerte uelastiske utbytter for silisium og/eller kalsium, kan kalibrerte estimater av elementutbyttene fra gammastrålespektra ved termisk nøytroninnfanging også bestemmes, hvorfra ytterligere informasjon vedrørende formasjonslitologien kan utledes.

Målinger av nedbremsingstiden for epitermiske nøytroner og verktøyavstanden fra borehullveggen kan utledes fra utgangssignalene til de epitermiske nøytrondetektorer 66a, 66b. Fordi den store mengde stål som foreligger i vektrøret 40 og rammen 54 virker som en lagringsbeholder som gir lang levetid for nøytroner, blir følsomheten til detektorene 66a, 66b overfor epitermiske nøytroners nedbremsingstid vesentlig redusert. For å måle epitermiske nøytroners nedbremsingstid under boring er det derfor viktig å korrekt plassere detektorene 66a, 66b relativt til vektrøret 40 og skaffe korrekt konstruerte nøytronvinduer 70a, 70b og korrekt bakskjerme detektorene 66a, 66b. Som vist på fig. 4 og som bemerket ovenfor, er de følsomme volumer til detektorene 66a, 66b foretrukket montert i verktøyrammen 54 tilstøtende innerveggen av vektrøret 40 og umiddelbart overfor de respektive nøytronvinduer 70a, 70b i vektrøret. Hver detektor er også foretrukket bakskjermet (med B4CE eller lignende) på begge ender og på alle sider bortsett fra siden som vender mot vektrøret. Vinduene 70a, 70b er foretrukket fremstilt av titan eller et annet materiale med høy styrke og lavt spredningstverrsnitt og som er kledt med bor. Foruten å redusere nøytroninntrenging i vektrøret 40, er foretrukket et borkarbidsjikt 72 med hull som svarer til plasseringen av vinduene 70a, 70b anordnet på utsiden av vektrøret 40 i området for detektorene. Modellering og eksperimentelle data har vist at følsomheten til nedbremsingstidskurven for epitermiske nøytroner overfor porøsiteten fra detektorer anbrakt, skjermet og utstyrt med vinduer på denne måte er større enn for detektorer uten vinduer eller utvendig borskjerming.

Som alternativt vist på fig. 5 er det mulig å forbedre detektorfølsomheten ytterligere ved å plassere detektorene 74 i selve vektrøret 40, med bakskjerming 76 av borkarbid og et ytre borkarbidlag 72 med tilsvarende huller som i fig. 4. Denne kombinasjonen, selv om mulig, utsetter detektorene for større skaderisiko under boring og krever også maskinering av vektrøret for å danne mottak for detektoren.

Som et alternativ til bruken av borskjermede nøytrongjennomsiktige vinduer 70a, 70b som vist på fig. 4, kan nedbremsingstiden og tids- og tellerate følsomheten til epitermiske nøytrondetektorer 66a, 66b bedres ved å anordne tverrgående lag av bor eller annet materiale med høyt absorbsjonstverrsnitt i vektrøret 40 i området for de epitermiske nøytrondetektorer. Dette er vist på figurene 6-8. Fig. 6 gjengir en epitermisk nøytrondetektor 78 eksentrisk anordnet mot vektrørveggen og bakskjermet som på fig. 4. En rekke tverrgående borkarbidlag 80 er innleiret i vektrørveggen, hvor de virker som en "persienne" som tillater nøytroner å gå tvers over vektrøret til detektoren samtidig som nøytronstrømmen langs vektrøret blokkeres. Fig. 7 viser det utvendige mønster av borkarbidsjikt 80 på fig. 6. Et alternativt mønster av borkarbidsjikt 82 er vist på fig. 8. Dette mønster tjener til å minimere nøytronstrømmen gjennom vektrøret i både lengde- og omkretsretningene uten å forstyrre den tverrgående strøm. Borkarbidlagene 82 virker derfor essensielt som et nøytronvindu for de epitermiske eller termiske nøytrondetektorer.

Bruken av nøytronabsorberende lag som vist på fig. 6-8 er funnet å være av spesiell betydning for å redusere nøytronstrømmen i materiale med lav spredningstverrsnitt så som titan, som er ønskelig som vektrørmateriale i applikasjoner til måling under boring på grunn av dets relative gjennomsiktighet overfor nøytroner, mens det på grunn av sin lavere tetthet ikke svekker komponenten for nøytrontransport parallell til eller langs omkretsen av vektrøret i samme grad som stål gjør det. For ytterligere effektivitet kunne borekarbidlagene også være innbefattet i verktøyrammen 54 på akseleratorsiden eller på begge sider av nøytrondetektorene.

Igjen med henvisning til den samlede undermontasjekonfigurasjonen for måling vist på fig. 2, er en fjernavstandsdetektor 84 plassert nedstrøms for gruppedetektorene 66c, 66d med et mellomliggende skjold 86. Detektoren 84 og skjoldet 86 er foretrukket koaksialt med akseleratoren 58.1 samsvar med oppfinnelsen er fjerndetektoren 84 selektivt anordnet relativt til nøytronkilden slik at den er følsom overfor MeV-energinøytroner (eller foretrukket gammastråler indusert av MeV-nøytroner) som trenger inn til relativt store dybder i formasjonen. Da transporten av MeV-nøytroner har redusert følsomhet overfor formasjonens hydrogeninnhold og forbedret følsomheten overfor tettheten av tyngre formasjonselementer, sammenlignet med nøytroner på KeV-eV-energi, vil responsen til detektoren 84 sterkt påvirkes av formasjonens volumtetthet på grunn av den nære relasjon mellom tetthet og matrikstype av formasjonslitologien.

Foretrukket omfatter detektor 84 en GSO gammastråledetektor som beskrevet i ovennevnte US-A 4 647 782 og 4 883 956, selv om enhver egnet type så som antrasen, Nal, BGO, Csl, etc. kan benyttes så lenge som akseptabel telleratestatistikk og energioppløsning oppnås. Det foretrukkede energideteksjonsområde ligger mellom 0,1 MeV og 11 MeV. Alternativt kan en nøytrondetektor som er følsom overfor nøytroner i MeV-området, f.eks. >0,5 MeV benyttes. De foretrukkede nøytrondetektorer er en <4>He-type eller en væskescintillator.

Hvor en gammastråledetektor benyttes som en fjerndetektor 84, er det mellomliggende skjold 86 foretrukket B4CE eller et lignende nøytronmodererende og absorberende materiale. Hvis en MeV-nøytrondetektor benyttes, er skjoldet 86 foretrukket et materiale med høy Z så som wolfram, bortsett fra hvor nærdetektoren 62 også er en <4>He (eller en annen MeV-detektor) skjermet av materiale med høy Z. I det siste tilfelle burde skjoldet 86 også være B4CE eller lignende for å dra full nytte av den ovennevnte nøytronmodererende effekt til høy-Z-skjermingsmaterialet 64 som omgir nærdetektoren 62.

Selv om fjerndetektoren 84 kan være en gammastråledetektor eller MeV-nøytrondetektor, foretrekkes en gammastråledetektor fordi gammastråler har bedre følsomhet overfor gass enn nøytroner i visse situasjoner og derved letter identifikasjon av gassholdige formasjoner. Som beskrevet ovenfor i forbindelse med gruppegammastråledetektoren 66d, tillater bruken av en gammastråledetektor også at en spektralanalyse kan utføres for å skaffe informasjon om elementsammensetningen og litologien til formasjonen. Slik spektralanalyse kan gjøres med gruppedetektoren 66d eller fjerndetektoren 84 eller én av dem. Utgangssignalet fra én av (eller begge) gammastråledetektorene kunne i tillegg benyttes til å utlede målinger av formasjonens makroskopiske innfangingstverrsnitt for termiske nøytroner (£) eller dets korrelativ, spaltningstidskonstanten for termiske nøytroner. Hvilken som helst av de kjente teknikker for å utlede £ eller t kan benyttes til dette formål. Hvor fjernavstandsdetektoren er en gammastråledetektor, kunne også gammastråledetektoren utelates om plassen eller andre omstendigheter krevde det.

En annen fjerndetektor (ikke vist) er anordnet om ønsket. Om den er det, er den foretrukket plassert koaksialt med og tett tilstøtende detektor 84. Hvis detektoren 84 er en gamastråledetektor, er den annen fjerndetektor foretrukket en nøytrondetektor eller omvendt.

Selv om det ikke spesielt er vist skal det forstås at de ovenfor omtalte detektorer innbefatter forsterknings-, pulsformings-, kraftforsynings- og andre kretser som er nødvendig for å generere utgangssignaler som er representative for den detekterte stråling. Alle slike kretser er velkjente i teknikken.

Signalene fra detektorene anordnet i verktøyet kan behandles på forskjellige måter for å skaffe den ønskede petrofysiske informasjon. Som nevnt er utgangssignalet fra næravstandsdetektoren 62 proporsjonalt med signalene fra nøytronkilden og benyttes hovedsakelig til å normalisere de andre detektorutgangssignalene med hensyn til kildestyrkefluktuasjon.

Utgangssignalene fra gruppedetektorene 66a, 66b for epitermiske nøytroner er for det meste følsomme overfor hydrogenindeksen og således porøsiteten og benyttes i henhold til et trekk ved oppfinnelsen i kombinasjon med utgangssignalene fra fjerndetektoren 84 til å utlede informasjon vedrørende formasjonstetthet, porøsitet og litologi og til å detektere gass. Den grunnleggende signalbehandlingsløsning benytter nøytronfluksen Al (telleraten fra detektorene 66a eller 66b) normalisert med telleraten NI fra nærdetektoren 62, det vil si (Al/Nl)"<1>, og de tilsvarende normaliserte inverse tellerater (Flg/Ni)"' eller (FlnlNiy1 fra henholdsvis fjerndetektoren for gammastråler eller MeV-nøytrondetektoren 84. Slik det skal beskrives kan disse størrelser benyttes på flere måter for å bestemme hydrogenindeksen Hl, nedbremsingslengdene (eV eller MeV) og formasjonens litologi. Som et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan nedbremsingslengden og hydrogenindeksen benyttes til å utlede volumtettheten til formasjonen. Endelig kan bestemmelse av volumtetthet forbedres med litologisk informasjon skaffet fra nærdetektoren 66d for gammaspektroskopi.

Den enkleste bruk av inverse normaliserte flukser er å plotte dem, og et slikt kryssplott er vist på fig. 9 hvor de inverse flukser er blitt skaffet ved Monte Carlo-modellering av det akseleratorbaserte verktøy vist på fig. 2. Kryssplottet vist på fig. 9 er idémessig likt nøytrontetthetskryssplottet som vanligvis benyttes i kabellogging for litologi- og porøsitetsbestemmelse basert på responsene fra standard volumtetthet og nøytronporøsitetsverktøy. Se f.eks. Ellis, "Well Logging for Earth Scientists", Elsevier, 1987, s. 420-421. Tolkingen av kryssplottet på fig. 9 er likeledes lik den for vanlige nøytrontetthetskryssplott. Diverse tellerater er plottet på fig. 9 slik at høyere porøsiteten vil forekomme øverst til høyre i plottet og lavere porøsiteten nederst til venstre, som i det vanlige nøytrontetthetskryssplott.

Som vist på fig. 9 er det kurver 88, 90, 92 som representerer porøsitetstrender for standard sandstein-, kalkstein- og dolomittlitologier. Et målt punkt 94 (Flgm, Alm) kan plottes på dette kryssplott og dets porøsitet og litologi kan interpoleres som i nøytrontetthetskryssplottet, som vist ved den punkterte linje 96. Skifrige litologier og gassholdige formasjoner fremkommer i samme relative posisjoner og kryssplottet på fig. 9 som de gjør det i nøytrontetthetskryssplottet, selv om deres nøyaktige posisjoner kan variere systematisk i forhold til de på nøytrontetthetskrys splottet.

En utførelse av oppfinnelsen er en løsning hvor de normaliserte inverse flukser for gruppe- og fjerndetektorene benyttes til å utlede hydrogenindeksen HI og eV-nedbremsingslengden Lepi eller MeV-nedbremsingslengden Lh. Mer bestemt er denne teknikken basert på utgangssignalene fra en gruppedetektor 66a, 66b, for epitermiske nøytroner og som er mest følsomme overfor hydrogenindeksen, men som har en residuell litologieffekt, og utgangssignalene fra MeV-fjerndetektoren 84 (enten gammastråler eller nøytroner) som er følsomme overfor hydrogenindeksen så vel som MeV- eller eV-nedbremsingslengdene. Telleratesignalene fra begge detektorer normaliseres med utgangssignalene fra nærdetektoren 62. Med tanke på denne teknikkens formål kunne fjerndetektoren 84 velges være følsom overfor nøytroner i eV-området, men flukser i MeV-området er foretrukket fordi de er mindre følsomme overfor hydrogenindeksen. Følgelig er nøyaktigheten til hydrogenindeksmålingene mindre viktige i forbindelse med MeV-flukser enn hva tilfellet er i forbindelse med eV-flukser. Figurene 10 og 11 viser responsene til en gruppe detektorer for epitermiske nøytroner, fjerndetektorer for eV- og MeV-nøytroner og en fjerndetektor for MeV-gammastråler i forbindelse med en Monte Carlo-modellert modell av det akseleratorbaserte verktøy vist på fig. 2. Monte Carlo-simuleringen gir fluksen av uelastiske gammastråler i fjerndetektoren for gammastråler. I det følgende betyr henvisning til gammastrålefluks i uelastiske gammastråler. Disse kan være adskilt fra innfangede gammastråler ved hjelp av en kjent pulsmetode for nøytronakseleratorer. Fig. 10 viser detektorresponsene i en rekke forskjellige formasjoner med hensyn til hydrogenindeks. Slik det kan ses, reagerer gruppedetektoren for epitermiske nøytroner hovedsakelig på hydrogenindeksen, da samtlige data praktisk talt faller på en enkelt kurve med liten litologivariasjon. Fjernavstandsgammastråledetektoren og eV- og MeV-detektorene viser betydelig litologi- og tetthetsavhengighet så vel som avhengighet av hydrogenindeksen.

Fig. 1 plotter den beregnede inverse fluks til eV- og MeV-nøytroner ved fjerndetektoren med hensyn på de respektive nedbremsingslengder. Disse data viser at formasjonens nedbremsingslengde er den viktigste variabel som påvirker fluksen ved fjerndetektoren. En tilsvarende undersøkelse av Monte Carlo data viser at eV-nedbremsingslengden er den viktigste variabel som påvirker uelastiske gammastråletelling ved fjernavstandsdetektoren.

Det kan vises at de respektive flukser plottet på figurene 10 og 11 meget vel kan tilpasses en kombinasjon av nedbremsingslengden (Lepj for eV-nedbremsingslengden og Lh for MeV-nedbremsingsIengden) og hydrogenindeksen (HI). De følgende illustrerende modeller er blitt konstruert for gruppedetektoren for epitermiske nøytroner og den foretrukne MeV-fjerndetektor basert på resultatet fra simuleringsprogrammer, men kunne konstrueres fra eksperimentelle resultater om ønsket.

Epitermisk gruppedetektormodell:

MeV-fjerndetektor:

Det skal forstås at andre modeller kan benyttes med henblikk på å skaffe den beste tilpasning til dataene.

Gitt et sett av gruppedetektor- og fjerndetektorfluksmålinger, er det enkelt å løse modelligningene 4 og 5 og skaffe utledede verdier av hydrogenindeksen og den inverse nedbremsningslengde.

Ytterligere metoder for kryssplotting for å utlede hydrogenindeks (eller porøsitet) eller nedbremsingslengden er beskrevet nedenfor.

En slik metode er basert på en vesentlig forskjell i n,p-spredningstverrsnittet til formasjonsbestanddeler for nøytroner undre ca. 1 MeV sammenlignet med den for nøytroner over 1 MeV. For nøytroner under omtrent 1 MeV, er, n,p-spredningstverrsnittet stort og skyldes hovedsakelig elastisk spredning med hydrogenkjerner. Tilsvarende er nøytronnedbremsingslengden sterkt avhengig av oksygenkonsentrasjonen for nøytroner med en initial energi på 1 MeV eller mindre. For nøytroner over 1 MeV minker på den annen side n,p-spredningstverrsnittet raskt og blir sammenlignbart med elastisk spredning fra høyere bergartmatrikselementer så som oksygen, silisium, kalsium, etc. Elastisk spredning fra de tyngre bergartmatrikselementene er imidlertid relativt ineffektiv med hensyn til å bremse nøytroner til lave energier. Ikke-elastiske reaksjoner med bergartmatrikselementer (for det meste uelastisk spredning (n,p) og (n,a)-spredningsreaksjoner) er langt mer effektive til å fjerne nøytroner fra høyenergiområdet. Således viser nøytronnedbremsingslengden for høyenerginøytroner (14 MeV->l MeV) økt følsomhet overfor bergartmatrikstetthet og er bare svakt avhengig av hydrogenindeks (porøsitet). På den annen side er nedbremsingslengden for lavenerginøytroner (<1 MeV- og til epitermiske nøytroner) primært følsomme overfor hydrogenkonsentrasjon.

Enkel diffusjonsteori predikterer en radiell reduksjon av høyenerginøytronfluksen

<Ph med avstand fra nøytronkilden i henhold til:

hvor S er kildestyrken, Xrh er det makroskopiske tverrsnitt for fjerningen av nøytroner fra energiområdet 1-14 MeV og Lh er nedbremsingslengden for høyenerginøytroner.

Gitt to målinger av nøytronfluksen >1 MeV ved forskjellige kilde-/detektoravstander rj og T2 kan en direkte måling av Lh utføres:

hvor (ph(n) og (phfø) er fluksmålingene henholdsvis ved avstanden rj og ti.

Den epitermiske nøytronfluks <pepi følger en lignende lov i en gruppediffusjonsteori.

hvor Irs er det makroskopiske tverrsnitt for fjerningen av nøytroner fra området 14 MeV - > epitermiske nøytroner og Lep, er nøytronnedbremsingslengden fra 14 MeV til 0,5 eV (kadmiumgrensen).

Selv om Lepi i en viss grad varierer med matrikstypen, forsvinner fluksavhengigheten til disse variasjoner ved en kilde/detektoravstand på 2Lepi. Kildefaktoren S kan også elimineres ved å normalisere fluksmålingen på 1 MeV med lignende måling ved en kort kilde/detektor-avstand. Med en epitermisk kildedetektor, f.eks. 66a på fig. 2 og to adskilte 1 MeV-detektorer, f.eks. detektorene 62 og 84 på fig. 2, kan ålinger således foretas av både porøsitet (hydrogenindeks) og Lepj og/eller Lh. Et kryssplott av disse målinger kan så bestemme porøsitet og matrikstype og identifisere gass som vist på fig. 12.

I en alternativ presentasjon tilsvarende den på fig. 9, kryssplottes den inverse nøytrontellerate fra MeV-fjerndetektoren (detektor 84 på fig. 2), normalisert med telleraten til en nærdetektor (62 på fig. 2), mot den inverse nøytrontellerate fra en epitermisk nøytrondetektor ved avstanden 2LS (gruppedetektor 66a på fig. 2), normalisert med telleraten fra MeV-nærdetektoren. Et slikt kryssplott er vist på fig. 13 for en MeV-nær-detektoravstand på 20 cm, en detektoravstand for epitermiske nøytroner på 30 cm og en MeV-fjerndetektoravstand på 6 cm. Som der angitt svarer de tre kurver til tre hovedbergarter, dolomitt (2,87 g/cm ), kalkstein (2,71 g/cm ) og sandstein (2,64 g/cm<3>). Som ventet gir forholdene nær/fjern og nær/gruppe nesten uavhengige mål på henholdsvis matrikstypene og porøsiteten. Tolkningen av dette kryssplott for å finne porøsitet og litologi og å detektere gass er også beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 9.

Den målte nedbremsningslengden Lepi eller Lh og den målte hydrogenindeks HI kan benyttes til å utlede volumtettheten til en formasjon. En metode for dette formål er beskrevet nedenfor. En alternativ metode er beskrevet i US-A 5 349 184.

I den følgende beskrivelse vil nedbremsingslengden enten vise til Lepj eller Lh for de virkelige eksempler benyttes Lepi. Med utgangspunkt fra en standardformasjon så som porøs kalkstein eller sandstein for hvilke nedbremsingslengden, hydrogenindeksen (det samme som porøsiteten) og volumtettheten alle er kjent, beregnes forholdet mellom små forandringer i volumtettheten til standardformasjonen og de resulterende små forandringer i dens nedbremsingslengde. Dette forholdet betegnes som følsomhetsforholdet for tetthet-nedbremsingslengde. Dette forhold kan under antagelser som skal omtales, benyttes slik at en liten forandring i nedbremsingslengden vil muliggjøre beregning av en liten forandring i volumtettheten som kan adderes til volumtettheten for standardformasjonen for å bestemme volumtettheten til den målte formasjon. Da oppfinnelsen måler nedbremsingslengden og hydrogenindeks, kan nedbremsingslengdeforskjellen beregnes fra måling av nedbremsingslengden til en ukjent formasjon og den fra en standardformasjon som har samme hydrogenindeks som den målte hydrogenindeks for den ukjente formasjon.

Beregningene av nedbremsingslengden til en formasjon med kjent elementsammensetning kan gjøres analytisk eller med Monte Carlo-metoder. En egnet analytisk metode er beskrevet av A. Kreft, "Calculation of the Neutron Slowing Down Length in Rocks and Soils", Nukleonika, bind. 19, 145-146, 1974; "A Generalization of the Multigroup Approach for Calculating the Neutron Slowing Down Length", Inst. of Nuclear Physics and Techniques (Cracow) Report 32/1, 1972.

Det følgende er et eksempel på beregning av følsomhetsforholdet tetthet-nedbremsingslengde. Med bruk av en datamaskinkodeimplementering av Krefts metode, beregnes de epitermiske nøytroners nedbremsingslengde i en standard formasjon, f.eks. 30 pu kalkstein (hydrogenindeks, HI = 0,3; volumtetthet 2,197 g/cm<3>; 0,033 g/cm<3> hydrogen, 0,228 g/cm<3> karbon, 1,176 g/cm<3> oksygen, 0,760 g/cm3 kalsium) til å være 13,27 cm. Den epitermiske nedbremsingslengde for en lignende formasjon lik den første men med tillegg av 0,05 g/cm3 av et vanlig formasjonselement så som aluminium (hydrogenindeks, HI=0,3, volumtetthet = 2,247 g/cm ) beregnes til å være 13,08 cm. Differansen mellom de resulterende nedbremsingslengder er d Lep\ = -0,19 cm. Denne differanse skyldes differansen i de gitte aluminiumtettheter på 0,05 g/cm<3>. Følsomhetsforholdet tetthet/nedbremsingslengde er prosentforandringen i nedbremsingslengden: -0,19/13,27 = -1,43 % delt med prosentforandringen i tetthet, 2,27 %, slik at forholdet utgjør -0,63. Figurene 14A og 14B viser disse forhold for henholdsvis nedbremsingslengde for henholdsvis epitermiske og MeV-nøytroner som overflatefunksjoner av hydrogenindeksen til porøs sandstein og av elementer hvis tetthet forandrer seg relativt til den porøse sandsteins elementsammensetning. Projeksjoner av disse overflater er vist på figurene 15A og 15B. Følsomhetsforholdene for tetthet-nedbremsingslengde beregnet for porøs kalkstein er meget lik de for sandstein.

Et gjennomsnittlig følsomhetsforhold for tetthets-nedbremsingslengde kan beregnes for enhver formasjon som har samme hydrogenindeks som en standard porøs formasjon. Dette forholdet er et vektet gjennomsnitt over følsomhetsforholdene for et element hvis tetthet avviker. Vektingen er proporsjonal med tetthetsdifferansen for hvert element. Fig. 16 viser det epitermiske forhold for to typiske formasjoner som en funksjon av hydrogenindeks. Formasjonene er delvis gassmettede formasjoner (0,2 g/cm metan erstatter vann) eller formasjoner i kaolinittleire (formel AUSi^igHs, tetthet 2,54 g/cm<3>) som delvis erstatter standardformasjonen og beregnes relativt til porøs sandstein. Gjennomsnittsforholdet er meget lite følsomt med hensyn til hvorvidt gass eller leire forekommer. For en gitt målt hydrogenindeks på eksempelvis 0,30 (30 pu porøsitet), er følsomhetsforholdet tetthet-nedbremsingslengde således -0,63 med en nøyaktighet på 10 %. Hovedegenskapen til følsomhetsforholdet tetthet-nedbremsingslengde er at det er ufølsomt overfor elementet som forårsaker endringen i tetthet, med mindre elementet er karbon, eller i tilfelle av bare epitermisk nedbremsingslengde, natrium og klor. For en rekke formasjoner som er vanlige i brønnlogging, så som de ovenfor, er følsomhetsforholdet for tetthet-nedbremsingslengde nøyaktig kjent. Dette forhold kan benyttes på prosentforskjellen i nedbremsingslengden til en målt formasjon relativt til en standard formasjon (også porøs sandstein med samme hydrogenindeks) for å beregne prosentforskjellen til tettheten av den målte formasjonen relativ til standardformasjonen. Prosentforskjellen fører i sin tur til tettheten av den målte formasjonen. Gitt at den målte formasjonen ikke er for forskjellig fra standardformasjonen uttrykt ved mengden av karbon (eller klor og natrium for epitermisk nedbremsingslengde), vil den beregnede volumtetthet for den målte formasjon være nøyaktig.

Som en ytterligere forbedring av oppfinnelsen kan kjennskap til elementsammensetningen av formasjonen funnet ved gammaspektroskopi benyttes til å forbedre beregningen av det passende tetthets-følsomhetsforhold.

Fordi måle-undermontasjen roterer sammen med borestrengen 14, er det gjort tiltak for å foreta de ovennevnte målinger som en funksjon av vinkelasimut orientering av verktøyet etter hvert som verktøyet dreier seg under boring. Forskjellige fremgangsmåter og apparater for dette formål er kjent i teknikken. F.eks. viser US-A 5 091 644 et asimutmålesystem i hvilket borehulltverrsnittet er delt i to med flere segmenter, eksempelvis kvadranter. Etter hvert som verktøyet roterer, passerer det gjennom borehullsegmentene. Hver gang det passerer en segmentgrense, økes en teller og peker på neste segment. Dette gjør at data, f.eks. gammastråle- eller nøytrontellerater, kan adskilles i henhold til de respektive segmenter som hver detektor gjennomløper når målingen blir utført. På denne måten kan det gjøres en rekke vinkelasimutmålinger på hvert dybdenivå. De separate sementerte målinger kan kombineres for å skaffe en gjennomsnittsmåling for dybdenivåer eller de kan behandles separat, som f.eks. hvor borehulltilstanden, så som en utvasking, angir at én eller flere av de sementerte målinger er upålitelige.

I samme søkers og samtidig søkte US patentsøknad serie nr. 08/183,089 (nå patent US-A 5 473 158) på "Logging While Drilling Method and Apparatus for Measuring Formation Characteristics as a Function of Angular Position Within a Borehole", innlevert 14. januar 1994 (J.M. Holenka o.a.) vises forbedrede fremgangsmåter og et apparat for å foreta nøytronporøsitet-, volumtetthets- og andre målinger etter hvert som verktøyet roterer i borehullet og å relatere dem til verktøyets asimutposisjon. Målingene gjøres i vinkelavstandssegmenter som foretrukket er kvadranter, men de kan være et større eller mindre antall enn 4 og behøver ikke å ha samme vinkelavstand. Vinkelsegmentene måles fra nedvektoren til verktøyet for måling under boring. Nedvektoren blir foretrukket utledet ved først å bestemme en vinkel 9 mellom en vektor til jordens magnetiske nordpol som referert til tverrsnittet for verktøyet til måling under boring og en nedvektor for tyngdekraften referert til et slikt plan. For dette formål kan det være anordnet to ortogonalt plasserte magnometer for kontinuerlig å bestemme vinkelen q>. Alternativt kan målinger utføres periodisk med verktøyet til måling under boring og boringen stoppes for å føye borerør til borestrengen. Således kan det som er vist i Holenka o.a. benyttes verktøy både med og uten stabilisatorrør.

Claims (30)

1. Apparat til måling under boring for måling av egenskaper til undergrunnsformasjoner som omgir et borehull som bores av en borkrone (16) på enden av en borestreng (14), omfattende et langstrakt vektrør (40) i borestrengen (14) og en nøytronakselerator (58) i vektrøret (40) for å bestråle de omgivende undergrunnsformasjoner med høyenergetiske nøytroner, samt en borevæskekanal anordnet inne i vektrøret på en side av dets lengdeakse, en første nøytrondetektor (62) i vektrøret (40) med en første avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret (40), karakterisert ved at den første nøytrondetektor (62) har et utgangssignal som primært er proporsjonalt med akseleratorens nøytronfluks, idet akseleratoren og første detektor er plassert eksentrisk på den annen side av vektrørets lengdeakse og hovedsakelig koaksialt innrettet med hverandre, en annen nøytrondetektor (66a, 66b) bakskjermet mot nøytroner som der kommer inn fra borehullet og plassert tilstøtende innerveggen til vektrøret på en annen fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret, idet den annen nøytrondetektor er følsom overfor epitermiske nøytroner og har et utgangssignal som primært reagerer på hydrogenkonsentrasjonen til den omgivende jordformasjon og bare sekundært reagerer på tettheten til den omgivende jordformasjon, en tredje strålingsdetektor (84) i vektrøret ved en tredje enda fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret, idet den tredje detektor hovedsakelig er koaksialt innrettet med akseleratoren og den første detektor og har et utgangssignal som sterkere reagerer på tettheten til den omgivende undergrunnsformasjon og mindre sterkt på hydrogenkonsentrasjonen til den omgivende jordformasjon enn den annen detektor, en anordning som definerer et nøytronvindu (70a, 70b) i verktøyet (40) umiddelbart tilstøtende den annen nøytrondetektor (66a, 66b), og en anordning (48, 50) for å registrere de respektive utgangssignaler fra den første, annen og tredje detektor som en funksjon av borehulldybde.

2. Apparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at anordningen som definerer nøytronvinduet (70a, 70b) i vektrøret omfatter et legeme av materiale med relativt lavt spredningstverrsnitt.

3. Apparat i henhold til krav 2, karakterisert ved at legemet av materiale med relativt lavt spredningstverrsnitt består av titan.

4. Apparat i henhold til krav 3, karakterisert ved at titanlegemet er kledd med bor.

5. Apparat i henhold til et av kravene 2-4, karakterisert ved at den utvendige overflate av vektrøret (40) er omgitt av et lag av nøytronabsorberende materiale i området til den andre detektor (66a, 66b), og at laget av nøytronabsorberende materiale har en åpning dannet ved stedet for legemet av materiale med relativt lavt spredningstverrsnitt.

6. Apparat i henhold til krav 5, karakterisert ved at anordningen som definerer nøytronvinduet (70a, 70b), omfatter en rekke adskilte tverrgående lag av nøytronabsorberende materiale i vektrøret i området av den annen detektor.

7. Apparat i henhold til et av kravene 2-4, karakterisert ved at anordningen (70a, 70b) som definerer nøytronvinduet dessuten består av en rekke adskilte lag av nøytronabsorberende materiale som strekker seg i lengderetningen i vektrøret i området for den annen detektor.

8. Apparat i henhold til et av kravene 2-7, karakterisert ved at den første nøytrondetektor (62) omfatter en epitermisk nøytrondetektor skjermet på alle sider med et nøytronmodererende og - absorberende materiale, bortsett fra siden som vender mot nøytronakseleratoren.

9. Apparat i henhold til et av kravene 2-7, karakterisert ved at den første nøytrondetektor (62) omfatter en nøytrondetektor for MeV-området og skjermet på alle sider med et materiale med høy Z, bortsett fra siden som vender mot nøytronakseleratoren.

10. Apparat i henhold til et av kravene 2-9, karakterisert ved at den tredje detektor (84) er en nøytrondetektor for MeV-området.

11. Apparat i henhold til krav 9 eller krav 10, karakterisert ved at nøytrondetektoren (62, 84) for MeV-området er en <4>He-detektor.

12. Apparat i henhold til et av kravene 2-9, karakterisert ved at den tredje detektor omfatter en gammastråledetektor.

13. Apparat i henhold til et av kravene 2-12, karakterisert ved at det dessuten omfatter en gammastråledetektor plassert på en mellomavstand i lengderetningen av vektrøret mellom den første og tredje detektor.

14. Apparat i henhold til krav 13, karakterisert ved at gammastråledetektoren er plassert på hovedsakelig den samme avstand som den annen detektor og i lengderetningen av vektrøret.

15. Apparat i henhold til et av kravene 12-14, karakterisert ved at det dessuten omfatter en anordning til spektralanalyse av utgangssignalene fra gammastråledetektoren for å skaffe informasjon vedrørende litologien til den omgivende undergrunnsformasjon.

16. Apparat i henhold til et av kravene 2-15, karakterisert ved at den langsgående avstand mellom den annen nøytrondetektor og akseleratoren er hovedsakelig to ganger nedbremsingslengden Lepi for lavenergetiske epitermiske nøytroner.

17. Apparat i henhold til et av kravene 2-16, karakterisert ved at det dessuten omfatter minst en termisk nøytrondetektor anordnet på en mellomavstand mellom de første og tredje detektorer og i lengderetningen av vektrøret.

18. Apparat i henhold til et av kravene 2-17, karakterisert ved at det omfatter en rekke av de andre epitermiske nøytrondetektorer plassert ved hovedsakelig den samme posisjon i lengderetningen i vektrøret og adskilt sirkumferensielt på vektrøret for å skaffe forbedret vinkel- eller asimutoppløsning.

19. Apparat i henhold til et av kravene 2-18, karakterisert ved at den annen detektor er plassert i en fordypning dannet i veggen på vektrøret og bakskjermet mot borehullnøytroner med et nøytronmodererende og -absorberende materiale.

20. Apparat i henhold til et av kravene 2-19, karakterisert ved at den første nøytrondetektor er skjermet mot nøytroner fra formasjonen av et materiale med høy Z og at de andre og tredje detektorer ved hjelp av et nøytronmodererende og -absorberende materiale er skjermet mot kilenøytroner transportert langs vektrøret.

21. Fremgangsmåte til måling av egenskapene til undergrunnsformasjoner som omgir et borehull som bores av en borkrone ved enden av en borestreng, fremgangsmåten omfatter å anordne langstrakte vektrør i borestrengen, hvor en borevaeskekanal (56) plasseres i vektrøret på en side av lengdeaksen til dette, å bestråle jordformasj onen med høyenergetiske nøytroner fra en nøytonakselerator i vektrøret, å detektere stråling med en første nøytrondetektor i vektrøret på en første avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret, karakterisert ved at den første nøytrondetektor får et utgangssignal som primært er proporsjonalt med akseleratornøytronfluksen, idet akseleratoren og den første detektor er eksentrisk plassert på siden av vektrørets lengdeakse og hovedsakelig koaksialt innrettet med hverandre, og detektere stråling med en annen nøytrondetektor som bakskjermet mot nøytroner som faller inn fra borehullet og plassert tett tilstøtende inne i veggen av vektrøret på en annen, fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen av vektrøret, slik at den annen detektor er følsom overfor epitermiske nøytroner og har et utgangssignal som primært reagerer på hydrogenkonsentrasjoner til den omgivende undergrunnsformasjonen og bare sekundært på tettheten av den omgivende undergrunnsformasjon, å detektere stråling med en tredje strålingsdetektor i vektrøret på en tredje, enda fjernere avstand fra akseleratoren i lengderetningen av borestrengen slik at den tredje detektor har et utgangssignal som reagerer sterkere på tettheten av den omgivende undergrunnsformasjon og mindre sterkt på hydrogenkonsentrasjonen i den omgivende undergrunnsformasjon enn den annen detektor, idet den tredje detektor er hovedsakelig koaksialt innrettet med akseleratoren og den første detektor, og anordnet et nøytronvindu i vektrøret umiddelbart tilstøtende den annen nøytrondetektor, å kombinere utgangssignalene fra de første, andre og tredje detektorer for å utlede en indikasjon på porøsiteten, tettheten og/eller litologien til den omgivende undergrunnsformasjon, og å registrere utgangssignalene fra de første, andre og tredje detektorer som en funksjon av i det minste henholdsvis borehulldybden og asimutorienteringen inne i borehullet.

22. Fremgangsmåte i henhold til krav 21, karakterisert ved at trinnet for kombinasjon omfatter å kombinere utgangssignalene fra den første detektor med utgangssignalene fra den annen og tredje detektor ved å normalisere utgangssignalene fra den annen og tredje detektor med den første detektors utgangssignaler.

23. Fremgangsmåte i henhold til krav 22, karakterisert ved at kombinasjonstrinnet dessuten omfatter kryssplotting av de normaliserte utgangssignaler fra de andre og tredje detektorer.

24. Fremgangsmåte i henhold til krav 23, karakterisert ved at de normaliserte utgangssignaler som kryssplottes er inverse normaliserte utgangssignaler.

25. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 22-24, karakterisert ved at kombinasjonstrinnet i samsvar med en første forhåndsbestemt empirisk relasjon utleder en verdi for hydrogenindeksen fra det normaliserte utgangssignal fra den annen detektor og i samsvar med en annen forhåndsbestemt empirisk relasjon utleder en verdi for nøytronnedbremsingslengden fra det normaliserte utgangssignal fra den tredje detektor og verdien for hydrogenindeksen.

26. Fremgangsmåte i henhold til krav 25, karakterisert ved at kombinasjonstrinnet dessuten omfatter å kombinere hydrogenindeksverdien og nedbremsingslengdeverdien for å skaffe informasjon om porøsitet, litologi og/eller nærvær av gass i den omgivende undergrunnsformasjonen.

27. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 22-26, hvor den tredje detektor omfatter en nøytrondetektor og avstanden i lengderetningen mellom den annen detektor og akseleratoren hovedsakelig er to ganger nedbremsingslengden ( Lept) for lavenergetiske nøytroner, karakterisert ved at utgangssignalene fra den første og tredje detektor kombineres for å utlede en måling av nedbremsingslengden ( Lh) for høyenergetiske nøytroner eller nedbremsingslengden ( Lepi) for lavenergetiske nøytroner, idet utgangssignalene fra de første og andre detektorer kombineres for å utlede en måling av hydrogenindeks og at Lh og L^-målingene og hydrogenindeksmålingene kryssplottes for å skaffe informasjon om i det minste henholdsvis porøsiteten og litologien til den omgivende undergrunnsformasjonen.

28. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 22-27, hvor den tredje detektor omfatter en nøytrondetektor, og avstanden i lengderetningen mellom den annen detektor og akseleratoren er hovedsakelig to ganger nedbremsingslengden ( Lepi) for lavenergetiske nøytroner, karakterisert ved at utgangssignalene fra de andre og tredje detektorer normaliserer utgangssignalene fra den første detektor, og at de normaliserte utgangssignaler fra den annen og tredje detektor kryssplottes for å skaffe informasjon om i det minste henholdsvis porøsiteten, litologien og nærværet av gass i den omgivende undergrunnsformasjon.

29. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 22-28, karakterisert ved at kombinasjonstrinnet omfatter å kombinere de normaliserte utgnager fra de andre og tredje detektorer for å utlede verdier for hydrogenindeksen og nedbremsingslengden ( Lh) for høyenergetiske nøytroner eller nedbremsingslengden ( Lepi) for lavenergetiske nøytroner for den omgivende jordformasjon, og å kombinere verdien av hydrogenindeksen og Lh og Lep, i samsvar med en forhåndsbestemt relasjon som forbinder forandringer i de målte verdier av Lh og Lepi med forandringer i volumtetthet for en kalibreringsformasjon med kjent volumtetthet, hydrogenindeks og elementsammensetning for å skaffe informasjon om volumtettheten til den omgivende undergrunnsformasjon.

30. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 22-29, karakterisert ved at kombinasjonstrimmet omfatter å bestemme hydrogenindeksen og nøytronnedbremsingslengden for den omgivende undergrunnsformasjon, og bestemme forskjellen mellom således bestemte nøytronnedbremsingslengde og nøytronnedbremsingslengde for en kalibrerende formasjon hovedsakelig med samme hydrogenindeks og bulktetthet, og å kombinere forskjellene i nøytronnedbremsingslengden med følsomhetsforholdet tetthet-nedbremsingslengde for kalibreringsformasjonen for å skaffe en måling av volumtettheten til den omgivende undergrunnsformasjon.