NO343322B1 - Fremgangsmåte og apparat for å estimere kildebergartinnhold av en jordformasjon - Google Patents

Abstract

En lav verdi av Th/U-forhold som bestemt fra naturlig gammastråling er indikativ for dypvannsedimentering. Dette, sammen med estimater av total mengde organisk karbon fra pulsede nøytronmålinger, blir anvendt for å karakterisere kildebergarter. Det blir fremhevet at dette sammendrag er fremlagt for å imøtekomme reglene som krever et sammendrag som vil tillate en forsker eller andre lesere raskt å fastlegge søknadsgjenstanden ifølge den teknisk oppfinnelse. Det fremlegges med forståelsen av at det ikke vil anvendes til tolkning eller begrensning av omfanget eller betydningen av kravene.

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Området for oppfinnelsen

[0001] Foreliggende oppfinnelse er innenfor området gammastråletesting av geologiske formasjoner. Spesielt bestemmer oppfinnelsen det organiske karboninnholdet av en formasjon fra registrerte spektra.

2. Beskrivelse av relatert teknikk

[0002] Brønnloggingssystemer har blitt utnyttet i hydrokarbon-prøveboringer i mange år. Slike systemer tilveiebringer data for bruk av geologer og petroleumsingeniører for å utføre mange bestemmelser som er relevante for hydrokarbonprøveboring og produksjon. Spesielt, tilveiebringer disse systemene data for kartlegging av undergrunnsstrukturer, definering av litologi for undergrunnsformasjoner, identifisering av hydrokarbonproduktive områder, og interpretering av reservoarkarakteristikker og deres innhold. Det finnes mange typer av brønnloggingssystemer som eksisterer med forskjellige formasjonsparametere slik som ledningsevne, gangtid for akustiske bølger innenfor formasjonen og lignende.

[0003] En klasse av systemer søker å måle en hendelse for nukleærpartikler mot brønnloggingsverktøyet fra formasjoner etter kjente hensikter. Disse systemene antar forskjellige former inkludert dem som måler naturlige gammastråler fra formasjonene. Andre systemer måler gammastråler i formasjonene frembrakt ved skurer av nøytroner som sendes inn i formasjonene av en nøytronkilde båret av verktøyet og pulsert ved forhåndsvalgte intervaller.

[0004] I disse nukleær-brønnboringssystemer, ligger en tillit mot det fysiske fenomen om at energier med gammastråler som sendes ut av kjerner er et resultat av naturlig radioaktiv nedbryting eller indusert kjernestråling er indikativ for nærværet av bestemte elementer innenfor formasjonen. Med andre ord vil formasjonselementer reagere på forutsigbare måter f.eks. når høyenerginøytroner i området av 14,2 MeV kolliderer med kjernen for formasjonselementer.

Forskjellige elementer i formasjonen vil således kunne identifiseres fra karakteristiske gammastråleenerginivåer frigjort som et resultat av disse nøytronbombardementer. Således vil antallet av gammastråler ved hvert energinivå være funksjonelt relatert til mengden av hvert element tilstede i formasjonen slik som karbonelementet som er tilstede i hydrokarboner. Nærværet av gammastråler ved 2,2 MeV-nivå, kan f.eks. indikere nærvær av hydrogen, mens en dominans av gammastråler som har energinivåer på 4,43 og 6,13 MeV, kan f.eks. indikere nærvær av henholdsvis karbon og oksygen.

[0005] I disse nukleære brønnloggingssystemer er det ofte nyttig å innhente data angående tidsspektralfordelingene for hendelser for gammastrålene. Slike data kan gi ekstremt verdifull informasjon om formasjoner, så som identifikasjon av litologi som er potensielt hydrokarbonproduserende. Videre kan disse ønskede spektraldata ikke bare bli begrenset til de for naturlige gammastråler, men kan for eksempel også være ønsket for gammastrålespektra forårsaket av bombardement av formasjonen med ovennevnte pulsede nøytronkilder.

[0006] Brønnloggingssystemer for å måle nøytronabsorpsjon i en formasjon anvender en pulset nøytronkilde som tilveiebringer skurer av meget raske, høyenerginøytroner. Pulsing av nøytronkilden tillater måling av det makroskopiske termiske nøytronabsorpsjonsoppfangingstverrsnitt Σ for en formasjon.

Oppfangingstverrsnittet til en reservoarbergart er indikativ for dens porøsitet, formasjonens vannsalinitet og mengden og typen av hydrokarboner inneholdt i porerommene.

[0007] Måling av nøytronpopulasjonens nedbrytningsrate blir gjort syklisk.

Nøytronkilden blir pulset i 20-40 mikrosekunder for å skape en nøytronpopulasjon. Nøytroner som forlater den pulsete kilde samvirker med omkringliggende omgivelser og blir bremset ned. I et brønnloggingsmiljø vil kollisjoner mellom nøytroner og det omgivende fluid og formasjonsatomer opptre for å bremse disse nøytroner. Slike kollisjoner kan overføre tilstrekkelig energi til disse atomene slik at de forlater dem i en eksitert tilstand fra hvilke en, etter en kort tid, vil oppleve at gammastråler blir emittert idet atomene returnerer til sin stabile tilstand. Slike emitterte gammastråler blir betegnet som uelastiske gammastråler. Idet nøytroner blir bremset til en termisk tilstand, så vil de kunne oppfanges av atomer i sin omkringliggende materie. Atomer som oppfanger slike nøytroner vil også gå inn i en eksitert tilstand og etter en kort tid vil gammastråler bli emittert idet atomene returnerer til en stabil tilstand. Gammastråler emittert som følge av denne nøytroninnfangingsreaksjonen blir navngitt innfangingsgammastråler. For kablede brønnloggingsoperasjoner, idet nøytronkilden blir pulset og målingene blir gjort, blir undergrunnsbrønnloggingsinstrumentet kontinuerlig trukket opp gjennom borehullet. Dette gjør det mulig å evaluere formasjonskarakteristikker over et bredt dybdeområde.

[0008] Avhengig av materialsammensetningen til jordformasjonene i nærheten av instrumentet, kan de termiske nøytroner absorberes eller “innfanges”, ved forskjellige rater av bestemte typer atomkjerner i jordformasjonen. Når én av disse atomkjerner innfanger et termisk nøytron, vil det sende ut en gammastråle, som refereres til som en “innfangingsgammastråle”.

[0009] Det finnes tidligere kjente metoder for å bestemme egenskapene til en formasjon fra loggeresultater. Se for eksempel U.S. patent nr.4,712,424, til Herron, U.S. patent 4,394,574, til Grau et al., U.S. patent nr.4,390,783, til Grau, SPE 7430 of Hertzog, SPE9461 by Westaway et al. og U.S. patent nr.5,471,057, til Herron.

[0010] I undersøkelse for og produksjon av hydrokarboner er det essensielt å analysere den geologiske nedsenkning involvert. For bestemmelse av hydrokarbonutviklingspotensialet til et område, må kildebergarter(dvs. enhver bergart som er i stand til å produsere hydrokarboner) identifiseres, sammen med volum av bergarten og mengdene av organisk materiale inneholdt deri. Identifikasjon av tilstedeværelse av kildebergarter er vanligvis kritisk ved bestemmelse hvorvidt det skal fortsettes med å bore en brønn eller å oppgi det. US 4,071,755 til Supernaw beskriver en metode hvor energispekteret for naturlig gammastråling som forekommer i jordformasjoner penetrert av et borehull observeres i energiområder svarende til uran, kalium og thorium. Kvantitative analyser av de relative rikdommer av disse elementer blir utført ved sammenligning av de observerte spektra med standard gammastrålespektra. De relative rikdommer av disse elementer kan deretter tolkes når det gjelder det organiske karboninnhold til jordformasjoner sammenlignet med forutbestemte relasjoner funnet å eksistere derimellom. US 4,686,364 til Herron et al. beskriver en metode for å bestemme in situ karboninnholdet av en kildebergart som omfatter å bestemme karbon/oksygen elementforholdet i formasjonen via uelastisk gammaspektroskopi, bestemmelse av porøsiteten til formasjonen, skaffe oksygeninnholdene og tetthetene til fluidet og mineraler i nevnte formasjon og bestemmelse av karboninnholdet fra nevnte karbon/oksygen-forhold og nevnte oksygeninnhold og tettheter til fluidet og mineralene. Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en fremgangsmåte for å bestemme det organiske innhold av en formasjon ved anvendelse av bare nukleære instrumenter.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0011] Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å estimere kildebergartinnholdet av en jordformasjon som angitt i det selvstendige krav 1. Fremgangsmåten inkluderer å utføre målinger av naturlig gammastråling inne i borehullet, analysere den målte strålingen for å bestemme et thorium til uran (Th/U) forhold og ved anvendelse av det bestemte Th/U-forholdet og et estimat av total mengde organisk karbon i formasjonen for å bestemme tilstedeværelse av kildebergart i formasjonen og å registrere tilstedeværelsen av kildebergart på et egnet medium. Måling av naturlig gammastråling omfatter energier på ca. 2,61 Mev, 1,76 Mev og 1,46 Mev. Fremgangsmåten kan videre omfatte estimering av den totale mengden av organisk karbon i formasjonen ved å bestråle jordformasjon fra innsiden av borehullet, analysere stråling som resulterer fra interaksjonen av strålingen med jordformasjonen for å estimere en elementsammensetning av formasjonen, ved anvendelse av en beregnet mengde av total karbon i elementsammensetningen og en mengde av uorganisk karbon forbundet med minst ett annet element i et kjent mineral i jordformasjonen for å gjøre et første estimat av mengden av organisk karbon. Det minst ene andre element kan velges fra gruppen bestående av kalsium, magnesium, jern og mangan. Det kjente mineral kan være minst ett av kalsitt, dolomitt, sideritt og rhodokrositt. Fremgangsmåten kan videre inkludere å utføre en ytterligere måling med en formasjonsevalueringssensor indikativ for karbon til stede i og porerommet av formasjonen, å estimere karbon til stede i porerommet av formasjonen fra den ytterligere måling og utføre et andre estimat av mengden av organisk karbon ved anvendelse av det første estimat og estimatet av karbon til stede i porerommet. Fremgangsmåten kan videre omfatte å identifisere tilstedeværelsen av kildebergart ved en verdi på Th/U-forhold mindre enn ca. 2,5 og tilstedeværelsen av organisk karbon. Det organiske karbon kan inkludere olje, gass, bitumen, kull og/eller biogent materiale. Bestråling av jordformasjonen kan inkludere anvendelse av en pulset nøytronkilde. Strålingen som er et resultat av interaksjonen kan inkludere gammastråler.

[0012] Videre tilveiebringer oppfinnelsen et apparat konfigurert for å estimere et kildebergartinnhold av en jordformasjon som angitt i det selvstendige krav 11. Apparatet omfatter et loggeverktøy konfigurert til å utføre målinger av naturlig gammastråling i et borehull. Apparatet inkluderer også en prosessor konfigurert for å analysere den målte stråling for å bestemme et Th/U-forhold, anvende det bestemte Th/U-forhold og et estimat av totalt organisk karbon i formasjonen for å bestemme en mulig tilstedeværelse av kildebergart og registrere den mulige tilstedeværelse av kildebergart i et egnet medium. Målingene av naturlig gammastråling kan omfatte energier på ca.2,61 Mev, 1,76 Mev og 1,46 Mev. Apparatet kan videre inkludere en kilde konfigurert til å bestråle jordformasjonen innenfra borehullet og prosessoren kan videre konfigureres til å analysere stråling som resulterer fra interaksjon av bestrålingen med jordformasjonen for å estimere en elementsammensetning av formasjonen og anvende en beregnet mengde av total karbon i elementsammensetningen og mengden av uorganisk karbon forbundet med minst ett annet element i et kjent mineral i jordformasjonen for å gjøre et første estimat av mengden av organisk karbon. Det minst ene andre element kan være kalsium, magnesium, jern og/eller mangan. Det kjente mineral kan være kalsitt, dolomitt, sideritt og/eller rhodokrositt. Apparatet kan videre inkludere en formasjonsevalueringssensor konfigurert til å gjøre en ytterligere måling av karbon til stede i porerommet i formasjonen og prosessoren kan videre konfigureres til å estimere karbon til stede i porerommet fra den ytterligere målingen og gjøre et andre estimat av mengden av organisk karbon ved anvendelse av det første estimat og estimatet av karbon til stede i porerommet. Prosessoren kan videre konfigureres for å identifisere tilstedeværelsen av kildebergarten ved en verdi på Th/U-forholdet mindre enn ca.2,5 og tilstedeværelsen av organisk karbon. Det organiske karbon omfatter olje, gass, bitumen, kull og/eller biogent materiale. Loggeverktøyet kan være del av en nedihullssammenstilling konfigurert til å transporteres på en kabel eller et borerør.

[0013] En annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen er et datamaskinlesbart medium for bruk med et apparat for å estimere kildebergartinnholdet til en jordformasjon. Apparatet inkluderer et loggeverktøy konfigurert for å gjøre målinger av naturlig gammastråling inne i et borehull. Mediet inkluderer instruksjoner som gjør det mulig for en prosessor å analysere den målte stråling for å bestemme et thorium til uran (Th/U) forhold, anvende det bestemte forholdet og et estimat av den totale mengden av organisk karbon i formasjonen for å bestemme tilstedeværelse av kildebergart i formasjonen og registrere tilstedeværelsen av kildebergart i et egnet medium. Mediet kan velges fra gruppen bestående av en ROM, en EPROM, en EEPROM, et flashminne og/eller et optisk platelager.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0014] Foreliggende oppfinnelse forstås best med referanse til de ledsagende figurer hvor like numre refererer til like elementer og der:

FIG. 1 illustrerer en kjernebrønnloggingskonfigurasjon i henhold til foreliggende oppfinnelse;

FIG. 2 viser et instrument egnet for bruk med foreliggende oppfinnelse;

FIG. 3 viser den grunnleggende timing for den pulsede nøytronkilde og de produserte gammastråler;

FIG. 4 viser innfangning og uelastisk spektra fra kalksteinsformasjon med oljefylt borehull;

FIG. 5 viser en sammenligning av resultatene av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse med kjernemålinger; og

FIG. 6 viser et Th/U-forhold avledet fra naturlige gammastrålemålinger.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0015] Det vises nå til tegningene mer i detalj og spesielt til FIG.1, der det er illustrert en kjernebrønnloggingskonfigurasjon i henhold til foreliggende oppfinnelse. Brønnen 10 penetrerer jordoverflaten og kan være, eller trenger ikke være fôret avhengig av den spesielle brønnen som undersøkes. Anbragt innenfor i brønn 10 er undergrunnsbrønnloggingsinstrument 12. Systemet vist i FIG.1 er et mikroprosessorbasert kjernebrønnloggingssystem som bruker flerkanalsskaleringsanalyse (”scale analyses”) for å bestemme tidsfordeling for de detekterte gammastråler. Brønnloggingsinstrumentet 12 inkluderer langavstandsdetektor (”long spaced”) (LS) 14, kortavstandsdetektor (short-spaced (SS)) 16 og pulset nøytronkilde 18. I en eksemplifisert utførelsesform er LS og SS detektorene 14 og 16 omfattet av vismut-germanat (BGO) krystaller koblet til fotomultiplikatorrør. For å beskytte detektorsystemene fra de høye temperaturer som finnes i borehull kan detektorsystemet monteres i et Dewar-type kar. Også i en eksemplifisert utførelsesform kan kilde 18 omfatte en pulsert nøytronkilde som anvender en D-T reaksjon hvor deuteriumioner akselereres inn i et tritiummål, for derved å generere nøytroner som har en energi på omtrent 14 MeV.

Glødestrømmen og akseleratorspenningen tilføres kilde 18 gjennom effektforsyning 15. Kabelen 20 holder instrument 12 i brønnen 10 og inneholder de nødvendige ledere for elektrisk å forbinde instrumentet 12 med overflateapparatet.

[0016] Utgangene fra LS- og SS-detektorene 14 og 16 blir koblet til detektorkortet 22, som forsterker disse utgangene og sammenligner dem med et justerbart diskriminatornivå for gjennomgang til kanalgenerator 26. Kanalgenerator 26 konverterer utgangspulshøyden til digitale verdier, som akkumuleres i et pulshøydespektra, i hvilke pulsene sorteres i henhold til deres amplitude inn i diskrete tabellbinger (”array of bins”). Bingene inndeler hele amplitudeområde uniformt. Disse pulshøydespektra akkumuleres i registre i spektrumakkumulatoren 28, spektra sorteres i henhold til deres type: uelastisk, innfanget eller bakgrunn. Etter at et pulshøydespektrum har blitt akkumulert, vil CPU 30 styre overføringen av de akkumulerte data til modemet 32, som blir koblet til kabelen 20 for overføring av dataene over en kommunikasjonslinje til overflateapparaturen. De ytterligere funksjoner av CPU 30 vil forklares senere angående styrekommandoer for kommunikasjon som definerer bestemte driftsparametere for instrumentet 12 inkludert diskriminatornivå for detektorkortet 22 og glødestrøm og akseleratorspenning tilført til kilden 18 fra effektforsyningen 15.

[0017] Overflateapparatet inkluderer sentralstyringsenhet 34 koblet til kabelen 20 for gjenoppretting av data fra instrument 12 og for å sende styresignaler til instrumentet 12. Det er også forbundet med overflateapparaturdybdestyringsenheter 36 som tilveiebringer signaler til sentralstyringsenheten 34 som indikerer bevegelsen av instrument 12 innenfor brønnen 10. En inngangsterminal kan kobles til sentralstyringsenheten eller prosessoren 34 for å la systemoperatøren gi valgt input til sentralstyringsenheten 34 for å tillate at systemoperatøren tilveiebringer valgte innganger til sentralstyringsenheten 34 for at loggedriften skal bli utført av systemet. Visningsorgan 40 og lagringsenhet 44 koplet til sentralstyringsenheten 34 kan bli tilveiebrakt. Data kan også bli sendt ved en lenke til en fjerntliggende lokasjon. Prosessering kan enten utføres ved overflateprosessoren, ved et fjerntliggende sted eller ved en nedihullsprosessor.

[0018] I en brønnloggingsoperasjon som er illustrert i FIG.1, vil sentralstyringsenheten 34 initialt sende driftsprogrammer og kommandosignaler for å implementeres av CPU 30, slike programmer og signaler kan relateres til den bestemte brønnloggingsoperasjon. Instrumentet 12 blir så brakt til å traversere brønn 10 på en konvensjonell måte, der kilden 18 blir pulsert som respons på synkroniseringssignaler fra kanalgeneratoren 26. Typisk vil kilde 18 bli pulsert ved en rate på 10.000 skurer/sekund (10 kHz). Dette vil i sin tur forårsake at en skur av høyenerginøytroner i størrelsesorden 14 MeV blir introdusert inn i den omgivende formasjon som skal bli undersøkt. På en måte som tidligere er beskrevet, vil denne populasjon av høyenerginøytroner som er innført i formasjonen føre med seg generering av gammastråler innenfor formasjonen som ved varierende tidspunkter vil påvirke LS og SS detektorene 14 og 16. Idet hver gammastråle således påvirker krystallfotomultiplikatorrørarrangementet for detektorene, vil en spenningspuls som har en amplitude som er funksjonelt relatert til energien for de spesielle gammastråler blir levert til detektorkortet 22. Det skal huskes at detektorkortet 22 forsterker hver puls og sammenligner dem med et justerbart diskriminatornivå, typisk satt ved en verdi svarende til omtrent 100 keV. Hvis slik puls har en amplitude som korresponderer til energi av i det minste omtrent 100 keV, vil spenningspulsen bli omdannet til et digital signal og videresendt til kanalgeneratoren 26 i MCS-seksjonen 24.

[0019] FIG.2 illustrerer et skjematisk diagram for et instrument egnet for bruk i henhold til foreliggende oppfinnelse. Element Nøytron Spektrometer (ENS<TM>) er et kablet instrument utformet for å tilveiebringe mineralogisk informasjon om formasjonen, leirskiferidentifikasjon og leiretype. De utvidete mineralogiske data som oppnås fra ENS muliggjør også utvidete porøsitetsmålinger. Foreliggende oppfinnelse er anvendelig for kablede loggingssystemer i åpne brønner. I en typisk utførelsesform anvender foreliggende oppfinnelse ECLIPS<TM>datainnfangingssystemet fra Baker Hughes Incorporated. Alternativt vil foreliggende oppfinnelse kunne anvendes, for eksempel med FOCUS systemet fra Baker Hughes, Incorporated. Også under de fleste betingelser vil FLEX bli kjørt i kombinasjon med gammastråle/spektrologi, nøytron, og kjernetetthetsverktøy (density nuclear tools). ENS anvender en aksielt pulset nøytrongenerator av samme type som den som brukes i overvåkingsinstrumentene for reservoarytelse. Således er det ingen spesiell lagring eller transporteringsbehov bortsett fra disse av en regulær natur assosiert med pulsede nøytrongeneratorer. Loggehastigheten er avhengig av omgivelsene. En typisk loggehastighet er i området av.4,57-9,14 m/min (15-30 fot/min).

[0020] ENS måleanordningen i FIG.2 anvender prinsippet med nøytronindusert gammastrålespektroskopi. ENS-komponentdeler er omsluttet innenfor kabelanordningsbekledningen 200. Nøytronkilden for foreliggende oppfinnelse er typisk en pulsert nøytronkilde. Bruken av en pulsert nøytronkilde er fordelaktig i forhold til anvendelse av en kjemisk nøytronkilde som følge av dens evne til å operere over et bredere frekvensområde. Nøytronkilde 209 avgir høyenergiskurer av nøytroner inn i den omgivende formasjon. Den elektronisk pulserte nøytrongenerator opereres typisk med en rate på omtrent 10.000 Hz, slik at hver skur vil inntreffe innenfor et vindu på 100 mikrosekunder. Gammastråler produsert via interaksjon for avgitte nøytroner og formasjonen blir detektert ved scintillasjondetektor 212 festet til datainnsamling og telemetrielektronikk 215.

Effektforsyning 201 aktiverer ENS-anordningen. Elektronikk 203 aktiverer nøytronkilden. Et nøytronskjold 220 demper nøytronstrømmen som forplanter seg direkte fra kilden til detektoren.

[0021] FIG.3 illustrerer den grunnleggende timingen for den pulserte nøytronkilden og de produserte gammastråler. Tid vises langs x-aksen i mikrosekunder.

Gammastråletellinger pr. sekund (cps) er vist langs y-aksen. Nøytronskuren definerer en første detektorport (first detector gate) intervall, referert til som "skurport" ("burst gate") eller uelastisk port. Et fullt spektrum av gammastråler som er et resultat fra både uelastisk nøytronspredning og innfanget gammastrålespredning produseres under den aktive varigheten for nøytronkilden og tidsberegningen for den uelastiske port muliggjør å oppnå det totale spektrum. I eksemplet for FIG.3, stiger antallet tellinger betydelig (typisk til 120 kcps) under den uelastiske port, som strekker seg omtrent fra 10 μsec til 40 μsec.

Deaktiveringen av nøytronkilden forårsaker at de uelastiske gammastråler forsvinner fra tellingen nesten umiddelbart. En “bakgrunnsport” 302-303 er vist ved et punkt hovedsakelig sammenfallende med deaktivering av nøytronkilden. Bakgrunnsporten i FIG.3 strekker seg omtrent fra 40 mikrosekunder til 50 mikrosekunder. Tellingene oppnådd under bakgrunnsporten kan tilskrives bakgrunnsgammastråler, men også innfangningsgammastråler, som utgjør en betydelig del av spektret under bakgrunnsporten. Bakgrunnsporten blir fulgt av en “innfangningsport” 301 (”capture gate”). Innfangningsporten inneholder gammastråler som i det vesentlige skyldes innfangede nøytroner fra den omkringliggende formasjon.

[0022] I en eksemplifisert utførelsesform av foreliggende oppfinnelse vil energiserte nøytroner bli injisert fra en pulsert nøytronkilde 209 i en omkringliggende formasjon. Scintillasjonsdetektoren registrerer spektrumet over et forhåndsdefinert tidsintervall. Under den uelastiske porten vil et fullt spektrum for gammastråler bli oppnådd fra formasjonslaget. Under en innfangingsport vil innfangingsspektrum av gammastråler bli innhentet fra formasjonslaget. En bestembar faktor for innfangingsspektrumet blir trukket fra det oppnådde totale spektrum for å avgi et spektrum som i det vesentlige er representativ for et uelastisk spektrum. Elementbidraget til det uelastiske spektrum og det innfangede spektrum kan så bli oppnådd ved å bestemme et sett av spektrabestanddeler fra det uelastiske spektrum og et sett av spektrabestanddeler fra det innfangede spektrum. En kyndig fagmann på området skal så bruke det bestemte elementbidraget for å bestemme en parameter for omkringliggende formasjonen.

[0023] Utledede gammastråleenergispektra for dataanalyse omfatter både det innfangede spektrum og det uelastiske spektrum. En uelastisk gammastråle blir generert fra kjernen fra atomet fra hvilke det er en spredning av initialt høyenergiske nøytroner. En innfanget gammastråle emitteres av kjernen for et atom gjennom absorpsjon av et nøytron etter at dens energi har forsvunnet. Fig.4 viser innfangings- og uelastiske spektra fra kalksteinsformasjoner med oljefylte borehull. De tre spektra er det uelastiske spektrum 401, det innfangede spektrum 402 og bakgrunnsspektrum 403.

[0024] Et trekk ved en foreliggende oppfinnelse er analyse av separate uelastiske og innfangede spektra i egenskap av deres spektrabestanddeler. Den kjente teknikk distribuerer fremgangsmåter for å fjerne effekter av et innfangingsspektrum fra et totalt spektrum oppnådd under en skurport (burst gate) for således å oppnå et forbedret uelastisk spektrum. En korrigert fraksjon av innfangingsspektrumet blir trukket fra det totale spektrumet for å generere et representativt uelastisk spektrum. Den korrigerte fraksjonen blir referert til som subtraksjonsfaktoren for innfanging (capture subtraction factor). Fremgangsmåten for å beregne denne verdien omfatter å bruke en innfanget gammastråleresponsfunksjon for å estimere innfangingen og uelastiske komponenter innenfor et registrert tidsspektrum.

Analyse av spektrumet kan utføres på overflaten eller nedihulls ved bruk av en prosessor eller et ekspertsystem.

[0025] Et bibliotek av elementære basisfunksjoner kan brukes for å muliggjøre en dekomponering av i det minste én av innfangings og uelastisk spektra inn til sine respektive spektrabestanddeler. En delliste av elementer inkluderer Ca, Cl, Fe, Mg, Si. Pr. i dag er spektrabestanddeler som representerer opp til 20 elementer brukbare i foreliggende oppfinnelse. Når fraksjonen av et bestemt element innhentet fra både innfanging og uelastisk spektrum er rimelig nært, så vil deres gjennomsnittsverdi kunne bli brukt for elementanalyse. Store forskjeller mellom estimater for et spesielt element oppnådd ved innfanging og uelastisk spektraldekomponering bør tjene som et varsomhetsflagg. Idet deler av spektraldekomponeringen bruker basisfunksjoner er det standardpraksis og også beregne usikkerheter langs regresjonskoeffisientene. Disse usikkerheter kan bli brukt for å tilveiebringe et estimat av mengden av et element fra de individuelle estimater fra uelastisk spektra og innfangingsspektra. Antallet elementer kan økes og er ikke ment å være begrensende for den foreliggende oppfinnelse.

Elementære basisfunksjoner kan videre bli produsert ved bruk av forskjellige metoder. For eksempel kan bruk av en datamaskin muliggjøre generering av elementære basisfunksjoner av et tidligere ikke-listet element.

[0026] Elementer som lett kan måles fra innfangingsgammastråleenergispektrum omfatter Ca, Cl, H, Fe, Mg, Si og S. Elementene som lett kan måles fra det uelastiske gammastråleenergispektrum omfatter C, Ca, Fe, Mg, O, Si og S. Listen er ikke ment å være fullstendig og andre elementer kan også identifiseres. Tabell 1 oppsummerer tilsynekomst av flere elementer som er lett identifiserbare i både innfanging- og uelastisk spektra. I noen tilfeller kan samme element finnes i både innfangings- og det uelastiske spektra. De elementer som ble funnet både i innfangings- og det uelastiske spektret er ytterligere til hjelp for en loggeanalytiker i den endelige vitenskapelig tolkning av dataene.

Tabell 1

[0027] Når et gammastrålespektrum først blir ekstrahert for et individuelt element, kan det anvendes som en elementstandard. Disse standarder kan bestemmes, for eksempel ved anvendelse av en kombinasjon av empiriske data fra kjente formasjoner hos ”the Nuclear Instrument Characterization Center” og ved bruk av datamaskinsimuleringer ved anvendelse av detaljerte fysiske modelleringsteknikker. Kombinasjonen av disse standarder som resulterer i det best egnede av de målte spektra bestemmer elementmengdene.

[0028] I foreliggende oppfinnelse, blir innfangings og uelastiske spektra anvendt for å estimere kalsium- og magnesiuminnholdet av jordformasjoner. Noen boreslamtyper inkluderer Ca- og/eller Mg-mineraler, slik at korreksjon til gammastrålespektra som resulterer fra Ca og/eller Mg i borehullet kan være fordelaktig og et dobbeltdetektorsystem kan anvendes. Andre boreslamtyper inkluderer ikke Mg, slik at målinger fra en enkel detektor er tilstrekkelig til å bestemme Mg i jordformasjonen.

[0029] En fremgangsmåte ifølge foreliggende oppfinnelse benytter det faktum at Ca og Mg mest vanlig forekommer i jordformasjoner i form av kalsitt (kalkstein) eller dolomitt, som begge er karbonatbergarter. Betegnelsen dolomitt blir anvendt med referanse til bergarter hvor halvparten av Ca-atomer i kalsitt er erstattet av Mg-atomer. Mengden av C som er til stede i kalsitt og dolomitt utgjør et fast forhold til mengden av Ca og Mg i formasjonen. Dette er også tilfelle for delvis dolomittisert kalkstein hvor mindre enn halvparten av Ca i kalksteinen er erstattet av Mg. I mindre grad kan Mg og Ca også forekomme i noen leiremineraler. For formålene ifølge foreliggende oppfinnelse definerer vi det organiske karbon (XSC) som karbonet som ikke er i karbonatmineralene. Betegnelsen “karbonatmineraler" omfatter andre mineraler så som sideritt (jernkarbonat) og rhodokrositt (mangankarbonat).

[0030] Forholdet mellom fraksjonen av XSC og fraksjonene av C, kalsitt og dolomitt i jordformasjonen er gitt ved:

ƒXSC= ƒC– aƒkalsitt– bƒdolomitt

Koeffisientene a og b har verdier på henholdsvis 0,12 og ,1303. Betegnelsene afkalsitt+ bfdolomittkan refereres til som “assosiert karbon” som er assosiert i en mineralform med andre elementer i jordformasjonen. Fremgangsmåten kan utvides til å omfatte andre mineraler inneholdende Ca eller Mg. De fleste av de andre slike mineraler er leiremineraler hvis tilstedeværelse kan kvantifiseres, for eksempel ved logging av naturlige gammastråler.

[0031] Det organiske karbon som definert her har to hovedkomponenter. Den første er karbon som er til stede i form av hydrokarboner i porerommene. Den andre er i form av karbon som er i form av en kildebergart. Hydrokarbonene i porerommet kan beregnes ved anvendelse av andre målinger så som NMR logging, porøsitet logging, akustisk logging og/eller resistivitetslogging ved anvendelse av kjente metoder. For anvendelse av NMR, se for eksempel US 6952764 til Chen et al., som har samme søker som foreliggende oppfinnelse og hvis innhold inntas her ved referanse. Porøsitet kan bestemmes fra nøytronporøsitetslogging eller fra akustisk logging; kombinering av dette med resistivitetslogging kan gi hydrokarbonmetning og dermed karboninnhold. Således er det videre mulig til å få et estimat over kildebergartens potensiale til formasjonene.

[0032] FIG.5 gir en typisk logg oppnådd ved å bruke fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Punktene merket 453 er estimater for XSC over et dybdeområde på 640 m (2100 ft) i en brønn ved anvendelse av fremgangsmåten beskrevet ovenfor. Dybdeintervallet inkludert i boksen 451 omfatter en kildebergart og er i en formasjon betegnet Barnett shale. Punktene innenfor boksen og ved noen få andre dybder er estimater for organisk karbon fra analyse av kjerneprøver. De organiske karbonestimater fra analyse av gammastrålespektra er i overensstemmelse med kjernemålingene. Det skal bemerkes at det organiske karbon inkluderer olje, gass, bitumen, kull og annet biogent materiale. Det skal bemerkes at hvilken som helst grafitt i formasjonen også vil vise seg i estimatet for organisk karbon.

[0033] En annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen anvender et loggingsverktøy for naturlig gammastråling for videre å karakterisere karbonet i jordformasjonen. Som vil være kjent for fagfolk på området, måler gammastråleverktøyet gammastråler emittert ved naturlig nedbrytning av radioaktive kjerner i jordformasjonen. De mest vanlige radioaktive elementer er kalium (K), thorium (Th) og uran (U). Som angitt i USA patent 4,585,939 til Arnold et al., er karakteristiske energier for thorium, uran og kalium, henholdsvis 2,61 Mev, 1,76 Mev og 1,46 Mev.

[0034] Det er kjent på området at U og Th kan anvendes som indikatorer for sedimentære prosesser. Se for eksempel Adams and Weaver (AAPG 1958). For å oppsummere kan bare uran i oksiderende betingelser, anta en mer oppløselig form, mens mobiliteten til thorium er begrenset til mekaniske måter. En høy Th/U-verdi indikerer således uranutvasking i oksiderende betingelser, som vanligvis finnes i jordomgivelser, mens en lav Th/U-verdi indikerer uranfiksering som skyldes reduserende betingelser som finnes i marine omgivelser.

[0035] Et viktig aspekt ved foreliggende oppfinnelse er erkjennelsen av at en lav Th/U-verdi er indikativ ikke bare for sedimentære prosesser men også for organisk kildebergart. Dette er beskrevet med referanse til Fig.6, som viser ett plott over Th/U-forholdet i en brønn. Sonen angitt ved 501 er en rik kildebergart. Dette er en dypvannsskiferbergart og det lave Th/U 503 er slående. Kurven 505 er uranmålingen.

[0036] Det skal bemerkes at Th/U-forholdet ikke kan alene anvendes for å måle den aktuelle mengde av kildebergart. Det bør anvendes i forbindelse med overskudd av karbon ved anvendelse av metoden beskrevet ovenfor. Overskudd av karbon i sedimentære strata kan relateres til kull, til olje-hydrokarboner i porene av berggrunnen eller det kan relateres til det organiske materialet som omfatter en kildebergart. For å bestemme disse forekomster blir dermed Th/U-forholdet anvendt for å bestemme når overskudd av karbon enten tilskrives en kildebergart i forhold til overskudd av karbon forbundet med hydrokarbon eller kull. Th/U-forholdet på 2 eller lavere i nærvær av overskudd av karbon tyder på karbon forbundet med en kildebergart. Uran vil på grunn av sine redoks-egenskaper konsentreres på grunn av sin affinitet for organisk materiale i anoksiske reduserende betingelser og overstiger konsentrasjonen av Th adsorbert til leireomfattende kildebergarter. Et Th/U over 2 tyder på overskudd av karbon som er forbundet med oljehydrokarboner og kull fordi Th/U-forhold over to viser at oksiderende betingelser er utbredt og dermed blir uran oppløselig og mobil og fjernes lett mens Th som ikke er redoks-sensitiv vil bli igjen. Th/U-forhold alene kan ikke anvendes for å bestemme hvorvidt en kildebergart er til stede, hvis det ikke er bevis for overskudd av karbon beregnet ved anvendelse av metoden beskrevet ovenfor. Et annet eksempel på dette er Th/U-forholdet funnet i kalkstein og dolomitt. Forholdet er ofte funnet å være under 2, men er ikke relatert til at overskudd av karbon er til stede. Det er relatert til det faktum at disse sporelementer er svært lave i konsentrasjon i karbonatlitologier uansett. Således kan én se at Th/U-forhold anvendt alene kan være misvisende med hensyn til om kildebergarter er til stede eller ikke.

[0037] Oppfinnelsen er beskrevet i form av målinger som er gjort ved bruk av loggingsverktøy ført på et vaierutstyr i et borehull. Uttrykket borehullsammenstilling er ment å inkludere et utstyr i nedre del av borestrengen, så vel som en loggestreng ført på en vaier. Fremgangsmåten kan også bli brukt ved å bruke data oppnådd ved sensorer som er senket ned på en glatt vaier. Fremgangsmåten kan også bli brukt på data oppnådd ved bruk av måling-under-boring-sensorer som senkes ned på et borerør (drilling-tubular). Prosesseringen av data kan utføres nedihulls ved bruk av nedihullsprosessor eller ved overflaten med en overflateprosessor. Det er også mulig å lagre i de minste en del av dataene nedihulls i en passende minneanordning, i en komprimert form om nødvendig. Ved etterfølgende innhenting av minneanordningen ved utløsning av borestrengen kan data innhentes fra minneanordningen og prosesseres på overflaten.

[0038] Implisitt i prosessering av data er bruken av et datamaskinprogram på et passende datamaskinlesbart medium som muliggjør at prosessoren kan utføre kontroll og prosessering. Det maskinlesbare medium kan inkludere ROM-er, EPROM-er, EEPROM-er, flashminner og optiske platelagre.

[0039] Mens den foregående beskrivelsen er rettet mot spesifikke utførelser av oppfinnelsen, kan forskjellige modifikasjoner være åpenbare for fagmannen på området. Det er ment at alle slike variasjoner innenfor omfanget av de tilhørende kravene skal være omfattet av den foregående beskrivelse.

Claims (20)

PATENTKRAV

1. Fremgangsmåte for å estimere kildebergartinnhold av en jordformasjon, k a r a k t e r i s e r t v e d at fremgangsmåten omfatter:

å gjøre målinger av naturlig gammastråling inne i et borehull;

å analysere den målte stråling for å bestemme et thorium til uran (Th/U)-forhold;

å bruke det bestemte Th/U-forhold og et estimat av en total mengde av organisk karbon i formasjonen for å bestemme en tilstedeværelse av kildebergart i formasjonen; og

å registrere tilstedeværelsen av kildebergart på et egnet medium.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor målingene av naturlig gammastråling omfatter energier på ca.2,61 Mev, 1,76 Mev og 1,46 Mev.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, videre omfattende beregning av den totale mengden av organisk karbon i formasjonen ved:

(i) å bestråle jordformasjonen fra innsiden av borehullet;

(ii) å analysere strålingen som resulterer fra interaksjon av bestrålingen med jordformasjonen for å beregne en elementsammensetning av formasjonen; (iii) ved å anvende:

(A) en beregnet total karbonmengde i elementsammensetningen og (B) en mengde av uorganisk karbon forbundet med minst ett annet element i et kjent mineral i jordformasjonen;

for å gjøre et første estimat av mengden av organisk karbon

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor minst ett annet element er valgt fra gruppen bestående av (i) kalsium, (ii) magnesium, (iii) jern og (iv) mangan.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor det kjente mineral er minst ett av (i) kalsitt, (ii) dolomitt, (iii) sideritt og (iv) rhodokrositt.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, som videre omfatter å:

(i) gjøre en ytterligere måling med en formasjonsevalueringssensor indikativ for karbon til stede i et porerom av formasjonen,

(ii) beregne karbon til stede i porerommet av jordformasjonen fra den ytterligere måling, og

(iii) gjøre et andre estimat av mengden av organisk karbon ved anvendelse av det første estimat og estimat av karbon til stede i porerommet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, videre omfattende identifikasjon av tilstedeværelsen av kildebergarten ved en verdi på Th/U-forholdet mindre enn ca.

2,5 og tilstedeværelsen av organisk karbon.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor det organiske karbon omfatter minst én av: (i) olje, (ii) gass, (iii) bitumen, (iv) kull og (v) biogent materiale.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor videre bestråling av jordformasjonen omfatter anvendelse av en pulset nøytronkilde.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor strålingen som resulterer fra interaksjonen videre omfatter gammastråler.

11. Apparat konfigurert til å estimere et kildebergartinnhold av en jordformasjon, k a r a k t e r i s e r t v e d at apparatet omfatter:

et loggingsverktøy konfigurert til å gjøre målinger av naturlig gammastråling innenfor et borehull; og

en prosessor konfigurert til å:

(I) analysere den målte stråling for å bestemme et thorium til uran (Th/U) forhold;

(II) bruke det bestemte Th/U-forhold og et estimat av en total mengde av organisk karbon i formasjonen for å bestemme en tilstedeværelse av kildebergart i dannelsen; og

(III) registrere tilstedeværelsen av kildebergart i et egnet medium.

12. Apparat ifølge krav 11, hvor målingene av naturlig gammastråling inkluderer energier på ca. 2,61 Mev, 1,76 Mev og 1,46 Mev.

13. Apparat ifølge krav 11, som videre omfatter:

(i) en kilde konfigurert til å bestråle jordformasjonen fra inne i borehullet;

hvor prosessoren videre er konfigurert til å:

(ii) analysere stråling som resulterer fra interaksjon av bestrålingen med jordformasjonen for å estimere en elementsammensetning av formasjonen; og

(iii) anvende:

(A) en estimert mengde av total karbon i elementsammensetningen, og (B) en mengde av uorganisk karbon forbundet med minst ett annet element i et kjent mineral i jordformasjonen;

for å gjøre et første estimat av mengden av organisk karbon.

14. Apparat ifølge krav 13, hvor det minst ene andre elementet er valgt fra gruppen bestående av (i) kalsium, (ii) magnesium, (iii) jern og (iv) mangan.

15. Apparat ifølge krav 13, hvor det kjente mineral er minst én av (i) kalsitt, (ii) dolomitt, (iii) sideritt og (iv) rhodokrositt.

16. Apparat ifølge krav 13, som videre omfatter:

(i) en formasjonsevalueringssensor konfigurert til å gjøre en ytterligere måling indikativ for karbon til stede i et porerom av formasjonen;

og hvor prosessoren videre er konfigurert til:

(ii) å estimere karbon til stede i porerommet av jordformasjonen fra den ytterligere målingen og

(iii) gjøre et andre estimat av mengden av organisk karbon ved anvendelse av det første estimat og estimatet av karbonet til stede i porerommet.

17. Apparat ifølge krav 11, hvor prosessoren videre er konfigurert til å identifisere tilstedeværelsen av kildebergarten ved en verdi på Th/U-forholdet mindre enn ca.2,5 og tilstedeværelsen av organisk karbon.

18. Apparat ifølge krav 11, hvor det organiske karbon inkluderer minst én av: (i) olje, (ii) gass, (iii) bitumen, (iv) kull og (v) biogent materiale.

19. Apparat ifølge krav 13, videre omfattende en pulset nøytronkilde konfigurert til å utføre bestrålingen.

20. Apparat ifølge krav 11, hvor loggingsverktøyet er del av en nedihullssammenstilling konfigurert til å føres på én av: (i) en vaier og (ii) et borerør.