NO326853B1

NO326853B1 - System og fremgangsmåte for logging-under-boring ved hjelp av radioaktiv strålingskilde

Info

Publication number: NO326853B1
Application number: NO20030661A
Authority: NO
Inventors: Medhat W Mickael; Dale Allen Jones
Original assignee: Weatherford Canada Partnership
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2009-03-02
Also published as: US6666285B2; GB2415253B; CA2416729C; NO20030661L; GB2390677A; GB0300991D0; GB0516337D0; GB2415253A; CA2416729A1; GB2390677B; US20030155121A1; NO20030661D0

Abstract

Gammastråle-tilbakespredningstetthetssystem for logging under boring med elementer utformet til å minimalisere materialet mellom sensorer og borehullets omgivelser, maksimere skjerming og kollimasjonseffektivitet, og øke operasjonspålitelighet og robusthet. Systemet omfatter en boremansjett eller et vektrør med et hulrom i den utvendige vegg, og en. instrumentpakke som inneholder en sensor. Instrumentpakken er anordnet i hulrommet og. rager ut fra den utvendige vegg av mansjetten. Utformet som et tetthets-LWD-system, består sensoren av en gammastrålekilde og to detektorer montert inne i et instrumentpakkerammeverk som er laget av et skjermende materiale med høy Z. En stabilisator som inneholder en innrettingskanal i den indre overflate er anordnet rundt mansjetten og mottar fremspringet. Kilden og detektorene er fortrinnsvis posisjonert inne i instrumentpakken slik at de faller innenfor en radius som er definert av den utvendige overflate av mansjetten. Kilden er gjenget direkte inn i rammeverket av materialet med høy Z. i instrumentpakken.

Description

Denne oppfinnelsen er rettet mot måling av tetthet i materiale, og mer bestemt rettet mot et system til måling av bulktetthet i materiale som er penetrert av et borehull. Systemet er gitt konkret form som et gammastråletilbakespredningstetthetssystem for logging-under-boring. Systemet er konfigurert til å minimalisere avstanden mellom aktive elementer i nedihulls loggeverktøyet og borehullets omgivelser, for å minimalisere materialet mellom kilden og en eller flere detektorer, for å maksimere skjerming og kollimasjonseffektivitet, og for å øke operasjonell pålitelighet og robusthet.

Systemer som anvender en kilde for stråling og en strålingsdetektor har blitt brukt innen kjent teknikk i mange år for å måle tetthet i materialet. En klasse av kjente tetthetsmålesystemer benevnes vanligvis "transmisjons"-systemer. En kilde for nukleær stråling plasseres på en side av materialet hvis tetthet skal måles, og en detektor som responderer på strålingen plasseres på den motsatte siden. Etter passende systemkalibrering, kan intensiteten i den målte strålingen relateres til bulktettheten i materialet som befinner seg mellom kilden og detektoren. Denne klassen av systemer er ikke praktisk for borehullsgeometri, siden prøven som skal måles i borehullets omgivelse omgir måleinstru-mentet eller borehulls-"verktøyet". En annen klasse av tetthetsmålesystemer i henhold til kjent teknikk benevnes vanligvis "tilbakesprednings"-systemer. Både en kilde til nukleær stråling og en detektor, som responderer på strålingen, plasseres på en felles side av materialet hvis tetthet skal måles. Stråling treffer på og påvirker materialet gjensidig, og en del av strålingen som treffer spres av materialet og tilbake inn i detektoren. Etter passende systemkalibrering kan intensiteten av den detekterte spredte strålingen relateres til bulktettheten i materialet. Denne klassen av systemer kan tilpasses til borehullsgeometri.

Systemer av tilbakestrålingstypen har i tiår blitt brukt til å måle tetthet i materialet, så som i formasjoner i grunnen, penetrert av et borehull. Tettheten måles typisk som en funksjon av posisjonen langs borehullet, hvilket gir en "logg" som en funksjon av dybde inne i borehullet. Måleverktøyet omfatter typisk en strålingskilde og minst en strålingsdetektor, som er aksialt innrettet med kilden og typisk er montert inne i en trykktett be-holder.

Systemer som anvender tilbakestrålingskonfigurasjon med en kilde for gammastråling

og en eller flere gammastråledetektorer benevnes vanligvis "gamma-gamma"-systemer. Kilder for gammastråling er typisk isotopiske, så som cesium-137 (<137>Cs), som emitterer gammastråling med en energi på 0,66 mill. elektronvolt (MeV) med en halveringstid på 30,17 år. Alternativt brukes kobolt-60 (<60>Co) som en kilde for 1,11 og 1,33 MeV gam-

mastråling med en halveringstid på 5,27 år. Den minste ene gammastråledetektoren kan omfatte detektorer av ionisasjonstypen, eller alternativt detektorer av scintillasjonstypen hvis større detektoreffektivitet og avbildning av energien av målt spredt gammastråling er ønsket.

De grunnleggende operasjonelle prinsipper ved kjent teknikk, tilbakespredningstetthet-smålesystemer av gamma-gamma-typen, er sammenfattet i det følgende avsnitt. Med henblikk på drøftelsen, vil det antas at systemet er gitt konkret form for å måle bulktettheten av materialet som er penetrert av et borehull, som vanligvis benevnes et tetthetsloggesystem. Det skal imidlertid forstås at andre tilbakespredningstetthetssensitive systemer er kjent innen kjent teknikk. Disse systemene inkluderer verktøy som bruker andre typer strålingskilder så som nøytronkilder, og andre typer strålingsdetektorer så som detektorer som responderer på nøytronstråling eller en kombinasjon av gammastråling ognøytronstråling.

Et tilbakespredningstetthetsloggeverktøy av gamma-gamma-typen føres langs et brønn-borehull som typisk penetrerer en formasjon i grunnen. Føringsanordninger kan være en kabel og tilhørende overflateheisespill. Denne metoden brukes til å fremskaffe målinger etter boring av borehullet. Føringsanordninger kan også være en borestreng som samvirker med en borerigg. Denne fremgangsmåten brukes til å fremskaffe målinger mens borehullet blir boret. Gammastråling fra kilden treffer materialet som omgir borehullet. Denne gammastrålingen kolliderer med elektroner inne i materialet i formasjonen i grunnen, og mister energi ved hjelp av flere typer reaksjoner. Den mest rele-vante reaksjon ved tetthetsmåling er Compton-spredningsreaksjonen. Etter å ha gjen-nomgått typisk flere Compton-spredninger, blir en del av den emitterte gammastråling spredt tilbake inn i verktøyet og detektert av gammastrålingsdetektoren. Antallet Compton-spredningskollisjoner er en funksjon av elektrontettheten i materialet hvor spredningen skjer. Angitt på en annen måte, verktøyet responderer på elektrontetthet i det materialet i formasjonen i grunnen hvor spredningen skjer. Bulktetthet i stedet for elektrontetthet er vanligvis parameteren av interesse. Bulktetthet og elektron-tetthet er relatert som

hvor

pe = elektrontetthetsindeksen;

Pb = bulktettheten;

(EZj) = summen av atomnummeret Zj for hvert element i et molekyl i materialet; og MW = molekylvekt for molekylet i materialet.

For de fleste materialer innenfor formasjoner i grunnen er uttrykket (2(£Zj) / MW) tilnærmet lik en. Elektrontetthetsindeksen pe som verktøyet responderer på kan derfor relateres til bulktettheten pb, hvilket typisk er parameteren av interesse, gjennom rela-sjonen

hvor A og B er målte verktøykalibreirngskonstanter. Ligning (2) er en relasjon som ivaretar den tilnærmet lineære (og lille) endringen i gjennomsnittlig Z/A som skjer når materialets vannandel endres med materialets porøsitet, og som således endres med bulktettheten.

Den radiale sensitivitets i tetthetsmålesystemet påvirkes av flere faktorer, så som energien i gammastrålingen som imiteres av kilden, den aksiale avstand mellom kilden og en eller flere gammastråledetektorer, og egenskaper i borehullet og formasjonen. Formasjonen i den umiddelbare nærhet av borehullet blir vanligvis pertubert av boreprosessen, og mer spesifikt av borefluid som "invaderer" formasjonen i området nær borehullet. Videre har partikler fra borefluidet en tilbøyelighet til å bygges opp på borehullets vegg. Denne oppbyggingen benevnes vanligvis "slamkake", og påvirker den radiale sensitivitet av systemet i negativ retning. Mellomliggende materiale i en forflytning eller "avstand" for verktøyet fra borehullets vegg vil negativt påvirke radial sensitivitet i systemet. Mellomliggende materiale i selve verktøyet mellom de aktive elementer i verktøyet og den utvendige radiale overflate av verktøyet vil igjen negativt påvirke radial verktøysensitivitet. Typiske kilder er isotropiske ved at strålingen emitteres med ho-vedsakelig radial symmetri. Fluks per enhetsareal øker med det inverse kvadratet av avstanden til kilden. Stråling per enhetsareal som er spredt av formasjonen og går tilbake inn i detektorer inne i verktøyet minker også med avstanden, men ikke nødvendigvis med det inverse kvadrat av avstanden. For å maksimere den statistiske presisjon ved målingen, er det ønskelig å anordne kilden og detektoren så nært borehullets omgivelser som det er praktisk, mens man fremdeles opprettholder tilstrekkelig skjerming og kollimasjon.

I lys av den ovenstående drøftelse er det av største viktighet å maksimere den radiale undersøkelsesdybde for verktøyet for å minimalisere de negative effekter av tilstandene nær borehullet. Det er også av den største viktighet å posisjonere aktive elementer i loggesystemet, nemlig kilden og en eller flere detektorer, så nær den utvendige radiale overflate av verktøyet som mulig under opprettholdelse av den kollimasjon og avskjerming som er nødvendig for korrekt verktøyoperasjon.

Generelt uttrykt lærer kjent teknikk at en økning i aksial avstand mellom kilden og den ene eller de flere detektorer øker den radiale undersøkelsesdybde. Øking av avstanden mellom kilde og detektor krever imidlertid en økning i kildeintensitet for å opprettholde akseptabel statistisk presisjon av målingen. Kjente systemer bruker også flere detektorer anordnet i en aksial avstand, og kombinerer responsen fra disse detektorene for å "eliminere" effekter av området nær borehullet. Undersøkelsesdybden økes betydelig ved å øke energien i gammastrålekilden. Dette tillater dypere radial transport av gammastråling inn i formasjonen. Kjente kabelloggesystemer bruker et mangfold av krum-me fjærer og hydraulisk opererte puteinnretninger for å presse de aktive elementer i et tetthetsloggesystem mot borehullets vegg for derved å minimalisere avstanden. Kjente systemer for logging-under-boring bruker et mangfold av kilde- og detektorgeometrier for å minimalisere avstanden, så som å plassere en gammastrålekilde og en eller flere gammastråledetektorer innenfor stabilisatorfinner som stråler utover fra et vektrør eller boremansjett (drill coilar). Dette gir også en tilbøyelighet til å minimalisere mellomliggende materialer inne i verktøyet, og til å posisjonere kilden og detektorene nær borehullets omgivelser, men ofte med den kostnad at effektiviteten ved skjerming og kollimasjon reduseres. Videre introduserer denne løsningsmåten visse operasjonelle prob-lemer ved at strenge boretilstander kan bryte bort stabilisatorfinner, hvilket resulterer i tap av instrumentet, og mer kritisk tap av en radioaktiv kilde, i borehullet. Enda andre kjente systemer for logging-under-boring anordner en kilde og en eller flere detektorer inne i en boremansjett med en stabilisator anordnet mellom kilden og detektorene og borehullet og formasjonen. Dette er mer robust operasjonelt, men mengden mellomliggende materiale mellom aktive verktøyelementer og borehullets omgivelser økes. Avstand mellom kilden og detektorene, og de omgivende borehullsomgivelsene, blir heller ikke minimalisert.

Ellers omhandler GB-A 2252623 en fremgangsmåte for analyse av data med et verktøy for logging-under-boring omfattende en boremansjett, en instrumentpakke og en stabilisator. Det fremgår imidlertid av fig. 7 og 8 at den ytre mansjettoverflaten og den indre stabilisatoroverflaten er generelt sirkelformet ved bestemte punkter langs den langsgå-ende aksen. I dette tilfellet finnes ikke noen innrettingskanal i stabiliatoren, noe som innebærer at instrumentpakken derfor ikke kommer i kontakt med innrettingskarialen. Følgelig må andre måter anvendes for å forhindre relativ rotasjon.

Denne oppfinnelsen er rettet mot et gammastråletilbakespredningstetthetssystem for logging-under-boring, hvor elementer er konfigurert til å plassere en sensor som fortrinnsvis omfatter en kilde og en eller flere detektorer så nær borehullsomgivelsene som det er praktisk, for å maksimere skjerming og kollimasjonseffektivitet, og for å øke operasjonell pålitelighet og robusthet. Det skal imidlertid forstås at de grunnleggende konsepter ifølge oppfinnelsen kan anvendes i andre typer og klasser av systemer for logging-under-boring. Som et eksempel kan konsepter ifølge oppfinnelsen brukes i et nøytronporøsitetssystem for å måle formasjonsporøsitet, hvor sensoren omfatter en nøytronkilde og en eller flere nøytrondetektorer. Som et annet eksempel kan konseptet ifølge oppfinnelsen brukes i naturlige gammastrålesystemer for måling av leirskiferinnhold og andre formasjonsegenskaper, hvor sensoren omfatter en eller flere gammastråledetektorer. Grunnleggende konsepter i systemet kan brukes i andre klasser av systemer for logging-under-boring inkludert elektromagnetiske og akustiske systemer.

Verktøyelementet i systemet for logging-under-boring føres av en borestreng langs borehullet som penetrerer en formasjon i grunnen. En borkrone avslutter borestrengen.

Borestrengen opereres av en standard rotasjonsborerigg, hvilken er velkjent innen faget.

Verktøyet for logging-under-boring omfatter tre hovedelementer. Det første hovedelement er et vektrør eller boremansjett (drill coilar) med en aksial gjennomgående passasje i hvilken det strømmer borefluid, og som også inneholder et hulrom inne i mansjettens vegg som åpner mot den utvendige overflate av mansjetten. Det annet hovedelement er en instrumentpakke som er anordnet inne i hulrommet og som rager radialt utover fra mansjettens utvendige overflate. Det tredje hovedelement er en stabilisator, som er anordnet langs omkretsen rundt den utvendige overflaten av mansjetten. En aksial innrettingskanal er dannet på den innvendige overflate av stabilisatoren, og er dimensjonert til å motta det utadragende parti av instrumentpakken.

Systemet er fortrinnsvis utformet som et gamma-gamma-tetthetsloggesystem, selv om grunnleggende konsepter ifølge oppfinnelsen kan brukes i andre typer eller klasser av systemer for logging-under-boring. Instrumentpakken omfatter en kilde for gammastråling og en eller flere gammastråledetektorer. To detektorer er foretrukket, slik at tidligere omtalte dataprbsesseirngsmetoder, så som "spine and rib"-metoden kan brukes for å minimalisere negative effekter av omgivelsen nær borehullet. Kilden er fortrinnsvis cesium-137 (<137>Cs) som emitterer gammastråling med en energi på 0,66 mill. elektronvolt (MeV). Alternativt kan kobolt-60 (<60>Co) som emitterer gammastråling med 1,11 og 1,33 MeV brukes som kildemateriale. Kilden er festet til en kildeholder som er montert direkte inn i skjermingen i instrumentpakken i stedet for at den er montert inn i eller gjennom mansjetten som i systemer ifølge teknikkens stand. Denne kildemonteringen gir forskjellige mekaniske, operasjonelle og tekniske fordeler, hvilket vil bli diskutert i det følgende. Detektorene er fortrinnsvis av scintillasjonstypen, så som natriumjodid eller vismutspirer for å maksimere detektoreffektiviteten for en gitt detektorstørrelse.

Instrumentpakkens rammeverk er fabrikkert av et materiale med et høyt atomnummer, vanligvis benevnt et materiale med "høy Z". Materialet med høy Z er en effektiv attenuator for gammastråling, og tillater effektiv avskjerming, kollimasjon og optimal plassering av kilden og detektorene i forhold til borehullets omgivelser. En vei i instrumentpakken med høy Z som leder fra kilden til stabilisatoren danner et kildekollimatorvindu. Kildekollimatorvinduet er fylt med et materiale som er relativ transparent overfor gammastråling. Et slikt materiale er vanligvis kjent som et materiale med "lav Z", og inkluderer materialer så som keramiske materialer, plaster og epoksyer. Aksen i kildekollimatorvinduet er i et plan som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken. Veier i instrumentpakken som fører fra hver detektor til stabilisatoren danner detektorkollimatorvinduer. Igjen er akser i detektorkollimatorvinduene i planet som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og vinduene er fylt med et materiale med lav Z. Stabilisatoren omfatter vinduer over kollimatorvinduene som er fabrikkert av et materiale med lav Z, og som derfor er relativt transparent overfor gammastråling. Kraftforsyninger og elektroniske kretser som brukes til å levere energi til å operere kraftforsyninger og kroniske kretser, som brukes til å levere energi til og operere detektorene, befinner seg fortrinnsvis fjernt fra instrumentpakken. Detektorene befinner seg fortrinnsvis fjernt fra instrumentpakken.

Instrumentpakken er anordnet inne i hulrommet i boremansj erten, med det utadragende parti anordnet inne i den aksiale innrettingskanal i den omgivende stabilisatoren. Instrumentpakken er fortrinnsvis avtagbart anordnet inne i hulrommet ved bruk av gjengede festeanordninger eller lignende. Dette arrangementet tillater relativt enkel utbytting av hele instrumentpakken i tilfelle feilfunksjon, hvilket øker operasjonseffektiviteten. For-di et parti av instrumentpakken er posisjonert inne i innrettingskanalen, er kilde- og de-tektorelementer beveget radialt utover, hvilket minimaliserer avstanden mellom disse elementene og borehullets omgivelser. Dette reduserer i sin tur mengden av mellomliggende materiale mellom disse elementene, hvilket gjør systemet mer responsivt overfor borehullets omgivelser. Videre maksimerer dette geometriske arrangementet gamma-strålefluksen per enhetsareal som går inn i borehullets omgivelser, og maksimerer også fluksen per enhetsareal av gammastråling som returnerer til detektorene. Kilden er fortrinnsvis montert i instrumentpakken ved hjelp av gjenging inn i en liten, mekanisk egnet innsats som er anordnet inne i instrumentpakkens skjermende materiale. Dette arrangementet gir maksimal radial skjerming og kollimasjon av kilden, selv om de design-kriterier som er drøftet ovenfor minimaliserer radial avstand mellom kilden og borehullets omgivelser. Et vesentlig parti av instrumentseksjonen, inkludert gammastrålekilden, er fortrinnsvis anordnet i hulrommet inne i mansjetten. Denne designen frem-bringer et fysisk robust system, hvor tapet av kilden vil bli minimalisert i tilfelle at stabilisatorens frrems<p>rin<g> ble mistet under boreoperasjonen. For en instrumentpakke med faste dimensjoner kan gammastrålekilden anordnes på utsiden av hulrommet når mansjetter med relativ liten diameter brukes.

For at det skal forstås i detalj hvordan de ovenfor omtalte trekk, fordeler og hensikter ved den foreliggende oppfinnelse fremkommer, skal det gis en mer spesifikk beskrivel-se av oppfinnelsen, som er kort sammenfattet ovenfor, med henvisning til dens utførel-ser, hvilket er vist på de vedføyde tegninger.

Fig. 1 viser tetthetssystemet utført som et system for logging-under-boring;

fig. 2a er et tverrsnittsriss som viser mansjetten og instrumentpakkeelementer i bore-hullsloggeverktøyet;

fig. 2b er et tverrsnittsriss av instrumentpakken anordnet inne i mansjetten, idet den danner et fremspring fra den utvendige overflate av mansjetten;

fig. 2c er et tverrsnittsriss som viser stabilisatorelementet i verktøyet med en innrettingskanal som er dannet på den innvendige overflate av stabilisatoren;

fig. 2d er et tverrsnittsriss av de tre hovedelementer i verktøyet sammenstilt med instrumentpakkefremspringet som er mottatt av stabilisatorinnrettingskanalen;

fig. 3 er et sideriss av verktøysammenstillingen;

fig. 4 er et tverrsnittsriss av verktøyet gjennom kildesammenstillingen;

fig. 5 er et tverrsnittsriss av verktøyet gjennom detektorsammenstillingen i kort avstand; og

fig. 6 er et tverrsnittsriss av verktøyet gjennom detektorsammenstillingen i lang avstand.

Den foreliggende redegjørelse er rettet mot et gammastråletilbakespredningstetthetssystem for logging-under-boring, hvor elementer er utformet til å plassere kilden og en eller flere detektorer så nært borehullets omgivelser som det er praktisk, for å maksimere skjerming og kollimasjonseffektivitet, og for å øke operasjonell pålitelighet og robusthet. Det skal imidlertid forstås at de grunnleggende konsepter ved oppfinnelsen kan anvendes i andre klasser og typer av systemer for logging-under-boring. Disse alterna-tive utførelser inkluderer "naturlige" gammastrålesystemer som brukes til å bestemme formasjonens leirskiferinnhold og andre parametere, og systemer som anvender en kilde av nøytroner og en eller flere detektorer for å bestemme formasjonens porøsitet og andre egenskaper.

Fig. 1 viser verktøyet for logging-under-boring, identifisert som en helhet med henvisningstall 10, som ved hjelp av en borestreng er anordnet inne i et brønnborehull 18 som er avgrenset av en borehullvegg 24, og som penetrerer en formasjon 26 i grunnen. Den øvre ende av mansjettelementet 12 i verktøyet 10 er operasjonelt innfestet til den nedre ende av en streng av borerør 28. Stabilisatorelementet i verktøyet 10 er identifisert med henvisningstall 14. Den nedre ende av loggeverktøyet 10 er avsluttet med en borkrone 16. Det skal imidlertid forstås at andre elementer kan anordnes i begge ender av verk-tøyet 10, mellom borerøret 28 og borkronen 16. Den øvre ende av borerøret 28 avslut-tes ved en rotasjonsborerigg 20 ved overflaten av grunnen 22. Boreriggen roterer bore-røret 28 og det samvirkende verktøyet 10 og borkronen 16 bringer derved borehullet 18 fremover. Boreslam sirkuleres ned borerøret 28, gjennom den aksiale passasje i mansjetten 12, og går ut ved borkronen 16 for retur til overflaten 22 via ringrommet som er avgrenset av den utvendige overflate av borestrengen og borehullets vegg 24. Detaljer ved konstruksjonen og operasjonen av boreriggen 20 er velkjent innen faget, og er ved denne offentliggjøringen utelatt for korthets skyld.

Oppmerksomheten rettes mot fig. 2a-2d, som konseptuelt viser de tre hovedelementer i verktøyet 10 vist i tverrsnitt som står vinkelrett på hovedaksen i verktøyet. På fig. 2a illustrerer et tverrsnittsriss gjennom hovedaksen i mansjetten 12 en kanal 29 som borefluid sirkuleres gjennom under boreprosessen. Det er også vist et hulrom 13 som er dimensjonert til å motta instrumentpakkeelementet i verktøyet, som en helhet angitt med henvisningstall 31. Hulrommet strekker seg fortrinnsvis aksialt langs hovedaksen i verktøyet 10, med motstående vegger 131 som avgrenser parallelle plan som står nor-malt på en innvendig overflate 231. Det radiale senter i instrumentseksjonen 31 er angitt med 131. Fig. 2b viser instrumentpakken 31 anordnet inne i hulrommet 13 med et parti av pakken radialt ragende ut i en avstand identifisert med 17. Fig. 2c er et tverrsnitt igjennom stabilisatorelementet 14 i verktøyet 10. En innrettingskanal 15 er fabrikkert på den innvendige overflaten av stabilisatorelementet 14, og er dimensjonert til å motta det utadragende parti (se fig. 2b) av instrumentpakken 31. For enkelhet ved frem-visning, strekker innrettingskanalen 15 seg hele lengden av stabilisatorelementet 14. Fig. 2d viser verktøyet 10 fullstendig sammenstilt med instrumentpakken 31 som er anordnet inne i hulrommet 13 i mansjetten 12 og inne i innrettingskanalen 15 i stabilisatoren 14. Fig. 3 er et snittriss av loggeverktøyet 10 langs hovedaksen i verktøyet. Instrumentpakken 31 omfatter en kilde for gammastråling 30, en første eller "i kort avstand" gammastråledetektor 40, anordnet i en første aksial avstand fra kilden, og en annen eller "i lang avstand" gammastråledetektor 50 anordnet i en annen aksial avstand fra kilden, hvor den annen avstand er større enn den første avstand. Kilden 30 er fortrinnsvis cesium-137 ( Cs) som emitterer gammastråling med en energi på 0,66 mill elektronvolt (MeV). Alternativt kan kobolt-60 (<60>Co) som emitterer gammastråling ved 1,11 og 1,33 MeV brukes som kildemateriale.

Med fortsatt henvisning til fig. 2 er instrumentpakkerammen fabrikkert av et materiale 37 med høyt atomnummer, vanligvis benevnt materiale med "høy Z". Materialet 37 med høy Z er en effektiv attenuator for gammastråling, og tillater effektiv skjerming, kollimasjon og optimal plassering av kilden 30 og detektorer 40 og 50 i kort henholdsvis lang avstand, i forhold til borehullets omgivelser. Detektorvolumer er fortrinnsvis så som mulig for å maksimere den omgivende skjerming og kollimasjonsmateriale. Detektorene 40 og 50 i kort avstand og lang avstand er derfor fortrinnsvis av scintilla-tortypen for å øke detekteringseffektiviteter for gitte detektorvolumer. Natriumjodid eller bismutspirer er egnede scintillasjonskrystallmaterialer til bruk i detektorer av scintillasjonstypen. Wolfram (W) er et egnet materiale med høy Z for rammeverket i instrumentpakken 31.

Med fortsatt henvisning til fig. 3 danner en vei i materialet 37 med høy Z som fører radialt utover fra kilden til stabilisatoren et kildekollimatorvindu 34 som er fylt med materiale med lav Z. I det minste en del av veggen i kildekollimatorvinduet 34 (som vist på fig. 3) danner fortrinnsvis en spiss vinkel med aksen i verktøyet 10 for bedre å fokusere gammastråling inn i formasjonen og derved øke sensitiviteten for Compton-sprednings-reaksjoner sammenfattet i ligning (1) og (2). Aksen i kildekollimatorvinduet 34 er i et plan som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter 131 i instrumentpakken.

Kilden 30 er festet til en kildeholder 132 (som best ses på fig. 4) som er avtagbart montert direkte inne i instrumentpakken 31 i stedet for at den er montert inn i eller igjennom mansjetten 12, som i systemer ifølge teknikkens stand. I tillegg til at den gir operasjonelle fordeler, muliggjør denne fremgangsmåten til avtagbar montering og posisjonering at skjermingsmaterialet 37 i den umiddelbare nærhet av kilden 30 maksimeres, under opprettholdelse av maksimal radial posisjonering av kilden inne i verktøyet. Dette maksimerer i sin tur fluksen per enhetsareal som treffer borehullets omgivelser, hvilket, for en gitt kildestyrke og detektoreffektiviteter, optimaliserer den statistiske nøyaktighet av tetthetsmålingene. Gjengede festeanordninger er dé foretrukne anordninger for avtagbar montering av kildeholderen inne i instrumentpakken 31. Andre anordninger, så som J-låsesystemer, kan brukes for avtagbar montering av kildeholderen 132 inne i instrumentpakken. Det foretrukne wolframmaterialet 37 med høy Z har en tilbøyelighet til å være skjørt. Direkte gjenging av wolfram for å motta kildeholdesammenstillingen 132 for kilden 30 vil ha en tilbøyelighet til å introdusere oppsprekking og brudd i kildeholderen. En tynnvegget innsats 32 er anordnet i wolframskjermingen 37 for å forbedre de mekaniske egenskaper i sammenstillingen. Innsatsen 32 er mer egnet til å motta den gjengede kildeholderen 132, og derved reduseres faren for sprekking i hunngjengene eller andre typer av skade i wolframskjermingsmaterialet 37. Innsatsen 32 har et tilstrekkelig lite volum til at den ikke negativt påvirker skjermingen og kollimasjonen av kilden 30.

Som vist på fig. 3, en vei i materialet 37 som fører radialt utover fra detektoren 40 i kort avstand avgrenser et detektorkollimatorvindu 35 i kort avstand, fylt med materiale med lav Z. En vei i materialet 37 som fører radialt utover fra detektoren 50 i lang avstand avgrenser et detektorkollimatorvindu 52 i lang avstand, fylt med materiale med lav Z. Igjen er akser i detektorkollimatorvinduene 35 og 52 i henholdsvis lang og kort avstand i planet definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter 131 i instrumentpakken. Et parti av veggen av i det minste detektorkollimatorvinduet 35 i kort avstand (som vist på fig. 3) danner fortrinnsvis en spiss vinkel med aksen i verktøyet 10 for å øke sensitiviteten for vinkelsensitiv Compton-spredt gammastråling som stråler ut i foretrukne spredningsvinkler fra borehullets omgivelser. Detektorkollimatorvinduet 52 i lang avstand kan også valgfritt være vinkelkollimert, men vinkelavhengighet av detektert stråling minker med avstand kilde - detektor. Det foretrukne materialet med lav Z som fyller kollimatrovinduet er epoksy.

En elektronikkpakke, omfattende kraftforsyninger (ikke vist) og elektroniske kretser (ikke vist) som er nødvendig for å tilføre kraft til og styre detektorene, er ikke lokalisert inne i instrumentpakken 31, men er lokalisert et annet sted i loggesystemet. Elektro-nikkpakken er elektrisk forbundet til detektorene. Elektronikkpakkene kan også inklu-dere registrerings- og minneelementer for å lagre målte data for etterfølgende fremhen-ting og prosessering når verktøyet 10 er returnert til jordens overflate.

Det skal igjen vises til fig. 3, hvor stabilisatoren 14 omfatter innsatser med lav Z over kilden og detektorkollimatorvinduer som er relativt transparente for gammastråling. Mer bestemt er en innsats 36 med lav Z anordnet inne i stabilisatoren over åpningen av kildekollimatorvinduet 34. Innsatser 38 og 54 med lav Z er likeledes anordnet over kollimatorvindusåpninger 35 og 52 for detektoren 30 i kort avstand henholdsvis detektoren 50 i lang avstand. Den foretrukne innsats er en maskineri termoplastisk plugg. Innsatsene kan alternativt være fabrikkert av andre materialer med lav Z, inkludert epoksy, keramiske materialer og metaller med lav Z, så som beryllium. Fig. 4 er et snittriss av verktøyet 10 ved A-A som bedre viser kildens montering og kollimasjon. Kildeholderen 132 er gjenget inn i innsatsen 32 gjennom en åpning 133 i stabilisatoren 14. Dimensjoner er dimensjonert slik at kilden 30 er innrettet med radiale senterlinjer i kildekollimatorvinduet 34 og vinduet 36 med lav Z. Merk at det tidligere beskrevne fremspring på instrumentpakken 31 passer inn i innrettingskanalen 15, men at kilden ligger innenfor en radius som er avgrenset av den utvendige overflate av mansjetten 12. Dette gir beskyttelse for kilden i tilfelle stabilisatoren skades under boreope-rasjoner. Fig. 5 er et snittriss av verktøyet 10 ved B-B gjennom detektoren 40 i kort avstand. Detektorens Z-linje er radialt innrettet med de radiale senterlinjer i kollimatorvinduet 35 og detektorvinduet 38 i kort avstand. Merk at detektoren 40 i kort avstand også innenfor radien som er avgrenset av den utvendige overflate av mansjetten 12. Fig. 6 er et snittriss av verktøyet 10 ved C-C gjennom detektoren 50 i lang avstand. Detektorens senterlinje er radialt innrettet med de radiale senterlinjer i kollimatorvinduet 52 og detektorvinduet 54 i lang avstand. Merk at detektoren 50 i lang avstand, i likhet med detektoren 40 i kort avstand og kilden 30, ligger innenfor en radius som er definert av den utvendige overflate av mansjetten 12.

For en instrumentpakke med faste dimensjoner kan gammastrålekilden og detektorene være i det minste delvis anordnet på utsiden av hulrommet når mansjetter med relativt liten diameter brukes.

Systemet er beskrevet i detalj som et system for logging-under-boring av nukleær klasse utformet som et gamma-gamma-tetthetssystem, hvor sensoren omfatter en gammastrålekilde og to gammastråledetektorer anordnet i en aksial avstand. De grunnleggende konsepter ved oppfinnelsen kan brukes sammen med andre typer sensorer i andre typer og klasser av Systemer for logging-under-boring. Som et eksempel kan oppfinnelsen utføres som et nøytronporøsitetssystem for logging-under-boring, hvor sensoren omfatter en nøytronkilde og fortrinnsvis to nøytrondetektorer anordnet i en aksial avstand. Sensorene responderer primært på hydrogeninnhold i borehullet, som i sin tur kan relateres til formasjonsporøsitet. Som et annet eksempel kan oppfinnelsen utføres som et System for logging-under-boring for naturlig gammastråling, hvor sensoren omfatter en eller flere gammastråledetektorer. Sensorrespons kan relateres til leirskiferinnhold og andre formasjonsegenskaper. Oppfinnelsen kan også utføres som andre klasser av Systemet for logging-under-boring, inkludert elektromagnetiske og akustiske.

Selv om den foregående redegjørelse er rettet mot de foretrukne utførelser av oppfinnelsen, er oppfinnelsens omfang definert av kravene som følger.

Claims

1. System for logging-under-boring (10), omfattende (a) en boremansj ett (12) omfattende (i) en mansjettvegg avgrenset av en innvendig mansjettoverflate og en generelt sirkelformet utvendig mansjettoverflate, og (ii) et hulrom (13) inne i mansjettveggen som åpner mot den utvendige man sjettoverflate; karakterisert ved at systemet for logging-under-boring omfatter: (b) en instrumentpakke (31) omfattende en sensor, og innretning for anbringelse av en kilde i instrumentpakken hvor instrumentpakken (31) er anordnet inne i hulrommet (13) og danner et radialt fremspring fra den utvendige mansjettoverflaten; og (c) en stabilisator (14) anordnet langs omkretsen rundt den utvendige mansjettoverflaten, hvor stabilisatoren omfatter (i) en stabilisatorvegg avgrenset av en generelt sirkelformet innvendig stabilisatoroverflate og en utvendig stabilisatoroverflate, og (ii) en aksial innrettingskanal (15) inne i stabilisatorveggen som åpner mot den innvendige stabilisatoroverflate, og hvor (iii) den aksiale innrettingskanal (15) mottar det radiale fremspring, hvorved instrumentpakken (31) er i inngrep med hulrommet (13) og innrettingskanalen (15) og kan forhindre rotasjon av stabilisatoren (14) i forhold til mansjetten (12).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at sensoren omfatter: (a) en gammastrålekilde (30); (b) en gammastråledetektor (40) i kort avstand, anordnet i en aksial avstand i en første avstand fra gammastrålekilden (30); og (c) en gammastråledetektor (50) i lang avstand, anordnet i aksial avstand i en andre avstand fra gammastrålekilden hvor den andre avstand er større enn den første avstand.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at gammastrålekilden (30), detektoren (40) i kort avstand og detektoren (50) i lang avstand er anordnet i instrumentpakken (31) innenfor en radius avgrenset av den utvendige mansjettoverflate.

4. System ifølge krav 2, karakterisert ved at rammeverket i instrumentpakken (31) er et materiale (37) med høy Z.

5. System ifølge krav 4, karakterisert ved at gammastrålekilden (30) er avtagbart montert inne i iristrumentpakkens rammeverk.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved at det videre omfatter: (a) en første vei i materialet (37) med høy Z som strekker seg radialt utover fra kilden (30) til den innvendige stabilisatoroverflate, slik at det danner et kildekollimatorvindu (34), hvor aksen i kildekollimatorvinduet (34) er i et plan som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor kildekollimatorvinduet er fylt med materiale med lav Z; (b) en andre vei i materialet med høy Z som strekker seg radialt utover fra detektoren i kort avstand til den innvendige stabilisatoroverflate slik at den danner et detektorkollimatorvindu (35) i kort avstand, hvor aksen i detektorkollimatorvinduet i kort avstand er i et plan som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor detektorkollimatorvinduet i kort avstand er fylt med materiale med lav Z; og (c) en tredje vei i materialet med høy Z om strekkes radialt utover fra detektoren i lang avstand til den innvendige stabilisatoroverflate, slik at den danner et detektorkollimatorvindu (52) i lang avstand, hvor aksen i detektorkollimatorvinduet i lang avstand er i ett plan definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor detektorkollimatorvinduet i lang avstand er fylt med materialet med lav Z.

7. System ifølge krav 6, karakterisert ved at det videre omfatter: (a) en første innsats (36) med lav Z som (i) er anordnet inne i stabilisatorveggen (ii) strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflaten til den utvendige stabilisatoroverflaten, og (iii) avslutter den første vei; (b) en andre innsats med lav Z som (i) er anordnet inne i stabilisatorveggen (ii) strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflate til den utvendige stabilisatoroverflate, og (iii) avslutter den andre vei; og (c) en tredje innsats med lav Z som (i) er anordnet inne i stabilisatorveggen (ii) strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflate til den utvendige stabilisatoroverflate, og (iii) avslutter den tredje vei.

8. System ifølge krav 6, karakterisert ved at aksen i kildekollimatorvinduet (34) danner en spiss vinkel med hovedaksen i mansjetten (12).

9. System ifølge krav 6, karakterisert ved at aksen i detektorkollimatorvinduet (35) i kort avstand danner en spiss vinkel med hovedaksen i mansjetten.

10. System ifølge krav 2, karakterisert ved at gammastrålekilden (30) omfatter cesium-137.

11. System for logging-under-boring (10), omfattende (a) en boremansj ett (12) omfattende (i) en mansjettvegg avgrenset av en innvendig mansjettoverflate og en generelt sirkelformet utvendig mansjettoverflate, og (ii) et hulrom (13) inne i mansjettveggen som åpner mot den utvendige man sjettoverflate; karakterisert ved at systemet for logging-under-boring omfatter: (b) en instrumentpakke (31) med et radielt senter og omfattende et rammeverk med høy Z, dvs. høyt atomnummer, og som er fjernbart anbrakt inni hulrommet og som danner et radielt fremspring fra utsiden av mansjettoverflaten, og der instrumentpakken ytterligere omfatter (i) en cesium-137 gammastrålekilde anbragt inni rammeverket, (ii) en gammastråledetektor (40) i kort avstand, anordnet i en aksial avstand fra en første avstand fra gammastrålekilden (30); (iii) en gammastråledetektor (50) i lang avstand, anordnet i aksial avstand i en andre avstand fra gammastrålekilden hvor den andre avstand er større enn den første avstand, (iv) en første vei i materialet (37) med høy Z som strekker seg radialt utover fra kilden (30) til den generelt sirkelformede innvendige stabilisatoroverflate, slik at det danner et kildekollimatorvindu (34), hvor aksen i kildekollimatorvinduet (34) er i et plan som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor kildekollimatorvinduet er fylt med materiale med lav Z; (v) en andre vei i materialet med høy Z som strekker seg radialt utover fra detektoren i kort avstand til den innvendige stabilisatoroverflate slik at den danner et detektorkollimatorvindu (35) i kort avstand, hvor aksen i detektorkollimatorvinduet i kort avstand er i et plan som er definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor detektorkollimatorvinduet i kort avstand er fylt med materiale med lav Z; og (vi) en tredje vei i materialet med høy Z om strekkes radialt utover fra detektoren i lang avstand til den innvendige stabilisatoroverflate, slik at den danner et detektorkollimatorvindu (52) i lang avstand, hvor aksen i detektorkollimatorvinduet i lang avstand er i ett plan definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor detektorkollimatorvinduet i lang avstand er fylt med materialet med lav Z (vii) der kilden og detektoren i kort avstand og detektoren i lang avstand er anbrakt i instrumentpakken innenfor en radius definert ved den ytre mansjettoverflaten; og (c) stabilisatoren (14) anordnet langs omkretsen rundt den utvendige mansj ettover-flaten, idet stabilisatoren omfatter (i) en stabilisatorvegg avgrenset av den innvendig overflaten av stabilisatoren (14) og en utvendig stabilisatoroverflate, og (ii) en aksial innrettingskanal (15) inne i stabilisatorveggen som åpner mot den innvendige stabilisatoroverflate, (iii) en første innsats (36) med lav Z som er anordnet inne i stabilisatorveggen og strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflaten til den utvendige stabilisatoroverflaten og avslutter den første veien, (iv) en andre innsats med lav Z som er anordnet inne i stabilisatorveggen strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflate til den utven dige stabilisatoroverflate, og avslutter den andre vei; og (v) en tredje innsats med lav Z som er anordnet inne i stabilisatorveggen strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflate til den utvendige stabilisatoroverflate, og avslutter den tredje vei; og der (vi) aksen i kildekollimatorvinduet (34) danner en spiss vinkel med hovedaksen i mansjetten (12), (vii) aksen i det første detektorkollimatorvinduet (35) i kort avstand danner en spiss vinkel med hovedaksen i mansjetten, og (viii) og der den aksiale innrettingskanal (15) mottar det radiale fremspring, hvorved instrumentpakken (31) er i inngrep med hulrommet (13) og innrettingskanalen (15) og kan forhindre rotasjon av stabilisatoren (14) i forhold til mansjetten (12).

12. System ifølge krav 11, karakterisert ved at materialet med lav Z er epoksy.

13. System ifølge krav 11, karakterisert ved at den første innsatsen med lav Z og den andre innsatsen med lav Z og den tredje innsatsen med lav Z er maskinerte termoplastiske plugger.

14. Fremgangsmåte for logging-under-boring av et brønnborehull, omfattende trinnene å: (a) tilveiebringe en boremansjett (12) med en mansjettvegg som er avgrenset av en innvendig mansjettoverflate og en utvendig mansjettoverflate, og som danner et hulrom inne i mansj ettveggen med en åpning ved den utvendige mansj etto verflate; karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å: (b) tilveiebringe en instrumentpakke (31) omfattende en sensor og innretning for anbringelse av en kilde(30); (c) anordne instrumentpakken (31) inne i hulrommet (13) slik at den danner et radialt fremspring fra den utvendige mansjettoverflate; og (d) anordne en stabilisator (14) langs omkretsen rundt den utvendige mansjettoverflate, hvor stabilisatoren (14) omfatter (i) en stabilisatorvegg som er avgrenset av en innvendig stabilisatoroverflate og en utvendig stabilisatoroverflate, og (ii) en aksial innrettingskanal (15) inne i stabilisatorveggen med åpning mot den innvendige stabilisatoroverflaten; og hvor (iii) den aksiale innrettingskanal mottar det radiale fremspring hvorved instrumentpakken (31)kommer i inngrep med hulrommet (13) og innrettingskanalen (15) og kan forhindre rotasjon av stabilisatoren (14) i forhold til mansjetten (12).

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at sensoren omfatter: (a) en gammastrålekilde (30); (b) en gammastråledetektor (40) i kort avstand, anordnet i en aksial avstand i en første avstand fra gammastrålekilden; og (c) en gammastråledetektor (50) i lang avstand, anordnet i aksial avstand i en andre avstand fra gammastrålekilden (30) hvor den andre avstand er større enn den første avstand.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at den omfatter et ytterligere trinn med å anordne gammastrålekilden (30), detektoren (40) i kort avstand og detektoren (50) i lang avstand i instrumentpakken (31) innenfor en radius som er definert av den utvendige mansj etto verflaten.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at rammeverket i instrumentpakken er et materiale (37) med høy Z.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at den omfatter et ytterligere trinn med avtagbar montering av gammastrålekilden (30) i instrumentpakkens rammeverk.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at den ytterligere omfatter trinn for å: (a) danne en første vei i materialet med høy Z som strekker seg radialt utover fra kilden (30) til den innvendige stabilisatoroverflate slik at den danner et kildekollimatorvindu (34), hvor aksen i kildekollimatorvinduet er i et plan definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor kildekollimatorvinduet er fylt med materiale med lav Z; (b) danne en andre vei i materialet med høy Z som strekker seg radialt utover fra detektoren i kort avstand til den innvendige stabilisatoroverflate, slik at den danner et detektorkollimatorvindu (35) i kort avstand, hvor aksen i detektorkollimatorvinduet i kort avstand er i et plan definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor detektorkollimatorvinduet i kort avstand er fylt med materialet med lav Z; og (c) danne en tredje vei i materialet med høy Z som strekker seg radialt utover fra detektoren i lang avstand til den innvendige stabilisatoroverflate, slik at den danner en detektorkollimator (52) i lang avstand, hvor aksen i detektorkolli-matoren i lang avstand er et plan definert av hovedaksen i mansjetten og det radiale senter i instrumentpakken, og hvor detektorkollimatorvinduet i lang avstand er fylt med materiale med lav Z.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 19, karakterisert ved at den videre omfatter: (a) anordne en første innsats (36) med lav Z inne i stabilisatorens vegg, som (i) strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflaten til den utvendige stabilisatoroverflaten, og (ii) avslutter den første vei; (b) anordne en andre innsats med lav Z inne i stabilisatorens vegg, som (i) strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflate til den utvendige stabilisatoroverflate, og (ii) avslutter den andre vei; og (c) anordne en tredje innsats med lav Z inne i stabilisatorens vegg, som (i) strekker seg radialt fra den innvendige stabilisatoroverflate til den utvendige stabilisatoroverflate, og (ii) avslutter den tredje vei.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 19, karakterisert ved at aksen i kildekollimatorvinduet (34) danner en spiss vinkel med hovedaksen i mansjetten.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 19, karakterisert ved at aksen i detektorkollimatorvinduet (35) i kort avstand danner en spiss vinkel med hovedaksen i mansjetten.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at gammastrålekilden (30) omfatter cesium-137.