NO344438B1

NO344438B1 - Fremgangsmåte og anordning for måling av en undergrunnssones romdensitet

Info

Publication number: NO344438B1
Application number: NO20120829A
Authority: NO
Inventors: Loren P Roberts
Original assignee: Baker Hughes A Ge Co Llc
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2019-12-09
Also published as: US20110191030A1; GB2494954B; US8700333B2; GB201214333D0; GB2494954A; WO2011094686A2; NO20120829A1; WO2011094686A3; BR112012019111A2

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

[0001] I ett aspekt vedrører denne oppfinnelsen generelt fremgangsmåter og anordninger ved borehullslogging for estimering av formasjonsegenskaper med bruk av kjernestrålingsbaserte målinger. Mer spesifikt vedrører denne oppfinnelsen estimering av én eller flere formasjonsparametere av interesse med bruk av informasjon innhentet fra en grunnformasjon bestrålt av en pulset nøytronkilde.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

[0002] Oljebrønnlogging har vært kjent i mange år og gir de som borer olje- og gassbrønner informasjon om grunnformasjonen som bores. Ved tradisjonell oljebrønnlogging, under boring av en brønn og/eller etter at en brønn er boret, kan en strålingskilde og tilhørende strålingsdetektorer bli fraktet inn i borehullet og anvendt for å bestemme én eller flere parametere av interesse for formasjonen. En stiv eller fleksibel bærer blir gjerne anvendt for å frakte strålingskilden, ofte som del av et verktøy eller et sett av verktøy, og bæreren kan også tilveiebringe kommunikasjonskanaler for å sende informasjon opp til overflaten. US 2009/0039242 A1 vedrører metoder for densitetslogging som benytter gammastråler over en parproduksjonsterskel for å bestemme litologiinformasjon om formasjoner for å korrigere målte densitetsdata.

US 4,415,804 omhandler et apparat og en fremgangsmåte for kvantitativ måling av konsentrasjonen av et første element eller gruppe av elementer som har hovedsakelig like atomtall i en matrise som omfatter andre elementer som har hovedsakelig forskjellige atomtall til dette eller disse av det første elementet eller gruppen av elementer.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0003] Hovedtrekkene ved den foreliggende oppfinnelse fremgår av de selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkrav. I aspekter vedrører foreliggende oppfinnelse fremgangsmåter for å estimere en parameter av interesse for en formasjon ved hjelp av stråling detektert fra en undergrunnsformasjon.

[0004] En utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan være en fremgangsmåte for å estimere romdensiteten i en grunnformasjon, omfattende å: estimere romdensiteten ved hjelp av en modell som relaterer uelastisk gammastråleinformasjon over et energinivå nødvendig for pardannelse innhentet fra en første detektor til uelastisk gammastråleinformasjon innhentet fra en andre detektor.

[0005] En annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan være en fremgangsmåte for å estimere romdensitet i en grunnformasjon, omfattende å: estimere romdensiteten ved hjelp av en modell som relaterer uelastisk gammastråleinformasjon over et energinivå nødvendig for pardannelse innhentet fra en første detektor til uelastisk gammastråleinformasjon innhentet fra en andre detektor; dele den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren inn i minst to energivinduer, der et første energivindu av de minst to energivinduene er over energinivået nødvendig for pardannelse; dele den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren inn i de minst to energivinduene; og redusere en feil som følge av pardannelse ved hjelp av den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren i det første energivinduet og den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren i et andre energivindu av de minst to energivinduene.

[0006] En annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan være en anordning for å estimere romdensitet i en grunnformasjon, omfattende: en prosessor; et ikkevolatilt datamaskinlesbart medium; og et program lagret av det ikke-volatile datamaskinlesbare mediet omfattende instruksjoner som når de blir eksekvert, bevirker prosessoren til å: estimere romdensiteten ved hjelp av en modell som relaterer uelastisk gammastråleinformasjon over et energinivå nødvendig for pardannelse innhentet fra en første detektor til uelastisk gammastråleinformasjon innhentet fra en andre detektor.

[0007] En annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan være en anordning for å estimere romdensitet i en grunnformasjon, omfattende: en prosessor; et delsystem med et ikke-volatilt datamaskinlesbart medium; og et program lagret av det ikke-volatile datamaskinlesbare mediet omfattende instruksjoner som når de blir eksekvert, bevirker prosessoren til å: estimere romdensiteten ved hjelp av en modell som relaterer uelastisk gammastråleinformasjon over et energinivå nødvendig for pardannelse innhentet fra en første detektor til uelastisk gammastråleinformasjon innhentet fra en andre detektor; dele den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren inn i minst to energivinduer, der et første energivindu av de minst to energivinduene er over energinivået nødvendig for pardannelse; dele inn den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren i de minst to energivinduene; og redusere en feil som følge av pardannelse ved hjelp av den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren innenfor det første energivinduet og den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren innenfor et andre energivindu av de minst to energivinduene.

[0008] Eksempler på de viktigere trekkene ved oppfinnelsen har blitt oppsummert nokså generelt for at den detaljerte beskrivelsen av disse som følger skal forstås bedre og for at bidragene de representerer til teknikken skal kunne sees.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0009] For en gjennomgående forståelse av foreliggende oppfinnelse henvises til den følgende detaljerte beskrivelsen av utførelsesformer, sett sammen med de vedlagte tegningene, der like elementer er gitt like henvisningstall og hvor:

Figur 1 viser en skjematisk betraktning av et nedihullsverktøy utplassert i et brønnhull med en kabel i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

Figur 2 viser et flytdiagram av en estimeringsfremgangsmåte for en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

Figur 3 viser en skjematisk betraktning av anordningen for å utføre en utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse;

Figur 4 viser et flytdiagram av en estimeringsfremgangsmåte for en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

Figur 5 viser en grafisk illustrasjon av relasjonen mellom gammastråledetektorer og gammakildeskyer ved bruk av en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

Figur 6 viser en grafisk illustrasjon av dempning av gammastråler gjennom éndimensjonale materiallag for en monoenergetisk kilde;

Figur 7 viser en grafisk illustrasjon av gammastråletellerater delt inn i energivinduer i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

Figur 8 viser en grafisk illustrasjon av forhold mellom gammastråledata mellom detektorpar ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

Figur 9 viser en grafisk illustrasjon av uelastiske gammastråler detektert i kjente formasjonsmaterialer ved bruk av en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; og Figur 10 viser en grafisk illustrasjon av innfangningsgammastråler detektert i kjente formasjonsmaterialer ved bruk av en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE

[0010] I aspekter vedrører denne oppfinnelsen estimering av romdensitet i en undergrunnsformasjon. Eksempler på metoder for estimering av romdensitet kan omfatte estimering av reduksjonen i transmisjon av flere distinkte uelastiske gammastråler generert i formasjonen i form av en platebasert (slab-based) eller lineær transmisjonsbasert romdensitetsmåling. Disse estimeringene kan være basert på transmisjon/dempning og supplementert av comptonspredningsinformasjon. I mange tilfeller kan informasjonen som blir anvendt for disse estimeringene være innhentet av verktøy utplassert i et brønnhull som krysser gjennom én eller flere formasjoner av interesse. Betegnelsen "informasjon" kan her omfatte, men er ikke begrenset til, én eller flere av: (i) rådata, (ii) behandlede data og (iii) signaler. Som litt bakgrunnsinformasjon er et eksempel på system for utplassering og anvendelse av slike verktøy for å innhente denne informasjonen beskrevet nedenfor.

[0011] Formasjonen kan bli eksponert for energi, og mer spesifikt en nøytronkilde. Nedihullsverktøy kan omfatte en strålingskilde og én eller flere detektorer. Strålingskilden kan her omfatte, men er ikke begrenset til, én eller flere av en nøytronkilde, en gammastrålekilde og en røntgenstrålekilde. Detektorene kan bli anvendt for å detektere stråling fra formasjonen, selv om detektorene ikke er begrenset til deteksjon av stråling av samme type som ble sendt ut av strålingskilden. Detektorer kan innbefatte avskjerming for å hindre telling av stråling fra utilsiktede kilder.

[0012] Figur 1 illustrerer skjematisk et boresystem 10 med et nedihullsverktøy 100 innrettet for å innhente informasjon for estimering av romdensitet eller en annen parameter av interesse for en formasjon 180. I én illustrerende utførelsesform kan verktøyet 100 inneholde en strålingskilde 140 og tilknyttede detektorer 120, 130. Systemet 10 kan omfatte et tradisjonelt boretårn 160 oppstilt på et boretårngulv 170. En bærer 110, som kan være stiv eller fleksibel, kan være innrettet for å frakte nedihullsverktøyet 100 inn i brønnhullet 150 til en formasjon 180. Bæreren 110 kan være en borestreng, kveilrør, en glattline, en "e-line", en kabel, osv. Nedihullsverktøyet 100 kan være koblet til eller kombinert med ytterligere verktøy (f.eks. noe av eller hele informasjonsprosesseringssystemet i figur 3). Avhengig av utførelsen kan verktøyet 100 således bli anvendt under boring og/eller etter at brønnhullet 150 er boret.

Strålingskilden 140 avgir stråling inn i formasjonen som skal kartlegges. Denne strålingen vekselvirker med kjernene i atomene i materialet i formasjonen, og dette resulterer i uelastiske gammastråler, innfangningsgammastråler, comptonspredte fotoner og pardannelsesfotoner. I en utførelsesform kan nedihullsverktøyet 100 anvende en pulset nøytrongenerator som sender ut 14,2 MeV hurtige nøytroner som sin strålingskilde 140. Bruk av 14,2 MeV nøytroner fra en pulset nøytronkilde er for illustrasjonsformål og kun et eksempel, ettersom nøytroner med forskjellige energinivåer kan bli anvendt. I noen utførelsesformer kan strålingskilden 140 anvende røntgenstråler. I noen utførelsesformer kan strålingskilden 140 være kontinuerlig. I noen utførelsesformer kan strålingskilden 140 være regulerbar ved at strålingskilden kan skrus "på" og "av" mens den befinner seg i brønnhullet, i motsetning til en strålingskilde som er "på" kontinuerlig. Denne typen strålingskilde kan kalles "kildeløs" siden den ikke har en kontinuerlig strålingskilde. Som følge av den periodevis aktive karakteren til den pulsete nøytronstrålingskilden vil de uelastiske fotonene og innfangningsfotonene som blir generert ankomme til detektorene 120, 130 under overlappende tidsperioder. Uelastiske fotoner blir generert hovedsakelig under pulsen, mens innfangningsfotoner blir generert både under og etter pulsen.

[0013] Detektorene 120, 130 tilveiebringer signaler som kan bli anvendt for å estimere strålingstallene som returnerer fra formasjonen. I alminnelighet er detektorene 120, 130 plassert i en avstand fra hverandre langs en hovedsakelig rett linje i forhold til strålingskilden. Dersom to detektorer blir anvendt, kan det være en nær (SS - Short Spaced) detektor og en fjern (LS - Long Spaced) detektor, der detektorene står i forskjellig avstand fra strålingskilden. For eksempel kan i en utførelsesform detektoren 130 være en nær detektor og detektoren 120 kan være en fjern detektor. De nære og fjerne detektorene er ikke begrenset til å være plassert på samme side av strålingskilden, og deres avstander fra strålingskilden kan være lik eller forskjellig siden responsen til detektorene ikke avhenger av den romlige variasjonen til gammastrålekilden innenfor formasjonen. Ytterligere detektorer kan bli anvendt for å tilveiebringe ytterligere strålingsinformasjon. To eller flere av detektorene kan være gammastråledetektorer. Noen utførelsesformer kan omfatte strålingsavskjerming (ikke vist), som kan være plassert mellom strålingskilden 140 og detektorene 120, 130. Strålingsavskjerming kan omfatte, men er ikke begrenset til, gammastråleskjold og nøytronskjold. Borefluid 190 kan befinne seg mellom formasjonen 180 og nedihullsverktøyet 100, slik at stråling fra strålingskilden 140 kan gå gjennom borefluid 190 for å komme til formasjonen 180 og stråling indusert i formasjonen 180 kan gå gjennom borefluid 190 for å komme til detektorene 120, 130.

[0014] I en utførelsesform kan elektronikk (ikke vist) i tilknytning til detektorene være innrettet for å registrere strålingstellinger fra minst to aksielt atskilte detektorer 120, 130 med veldig korte tidsintervaller eller vinduer (i størrelsesorden 1 til 1000 mikrosekunder) og generere et tidsavhengig forhold mellom de minst to aksielt atskilte detektorene ved å anvende informasjon fra flere pulsutbrudd. Dette forholdet kan bli uttrykt som en kurve eller en annen grafisk funksjon som beskriver en kombinasjon av flere forholdsverdier. I noen utførelsesformer kan parameteren av interesse bli estimert ved anvendelse av en differanse mellom detektortellingene. Betegnelsen tidsavhengig beskriver her generelt den egenskap at forholdet variererer med tid, i motsetning til et forhold som holder seg konstant, så som med en kontinuerlig strålingskilde. I noen utførelsesformer kan det tidsavhengige forholdet bli vektet. Tellerateforholdene for de aksielt atskilte detektorene kan bli bestemt som funksjon av tid og illustrert grafisk som en tidsavhengig forholdskurve. Forskjellige egenskaper ved formasjonen kan bli bestemt ved hjelp av den tidsavhengige forholdskurven, herunder, men ikke begrenset til formasjonens romdensitet. I andre utførelsesformer kan denne elektronikken befinne seg et annet sted (f.eks. på overflaten).

[0015] Figur 2 viser, i form av et flytdiagram, én fremgangsmåte 200 ifølge foreliggende oppfinnelse for å estimere minst én parameter av interesse for formasjonen 180 (figur 1) ved hjelp av en modell basert på gammastråleinformasjon innhentet fra minst to detektorer 120, 130 (figur 1). Nå med henvisning til figurene 1 og 2 kan fremgangsmåten 200 omfatte et trinn 210 der strålingskilden 140 sender ut stråling nær ved formasjonen 180. I trinn 220 kan informasjon om uelastiske gammastråler bli fanget opp av detektorene 120, 130, i det minst én av detektorene 120, 130 fanger opp uelastisk gammastråleinformasjon over energiterskelen nødvendig for pardannelse. I trinn 230 kan romdensiteten til formasjonen 180 bli estimert ved å anvende ett eller flere forhold mellom tellerater av uelastiske gammastråler i modellen. Alternativt kan informasjon innhentet av detektorene 120, 130 bli anvendt for å generere en differanse mellom strålingstellingene estimert av detektorene 120, 130. Estimeringen av romdensiteten kan også omfatte sammenlikning eller kombinasjon av gammastråleinformasjonen med referanseinformasjon om formasjonen. I noen utførelsesformer kan estimeringsfremgangsmåten 200 omfatte et trinn 250 der referanseinformasjon om formasjonen eller formasjoner generelt blir hentet frem. Referanseinformasjon kan bli kombinert med gammastråleinformasjon i trinn 230 for å estimere formasjonens romdensitet.

[0016] Som vist i figur 3 kan noen utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse bli realisert med et maskinvaremiljø som omfatter en informasjonsprosessor 300, et informasjonslagringsmedium 310, en innmatingsanordning 320, prosessorminne 330, og som kan omfatte et eksternt informasjonslagringsmedium 340. Maskinvaremiljøet kan befinne seg i brønnen, på riggen eller et fjernt sted. Videre kan de flere komponentene i maskinvaremiljøet være fordelt mellom disse stedene. Innmatingsanordningen 320 kan være en hvilken som helst dataleser eller brukerinnmatingsanordning, så som en datakortleser, et tastatur, en USB-port, osv. Informasjonslagringsmediet 310 lagrer informasjon tilveiebragt av detektorene. Informasjonslagringsmediet 310 kan omfatte et hvilket som helst ikke-volatilt maskinlesbart informasjonslagringsmedium for lagring av standard datamaskininformasjon, så som en USB-stasjon, minnepinne, harddisk, flyttbart RAM, EPROM, EAROM, flashminner og optiske platelagre eller andre utbredte minnelagringssystemer kjent for fagmannen, herunder Internettbasert lager. Informasjonslagringsmediet 310 lagrer et program som når det blir kjørt, bevirker informasjonsprosessoren 300 til å utføre den viste fremgangsmåten. Informasjonslagringsmediet 310 kan også lagre formasjonsinformasjon tilveiebragt av brukeren, eller formasjonsinformasjon kan være lagret i et eksternt informasjonslagringsmedium 340, som kan være et hvilket som helst standard informasjonslagringsmedium for datamaskiner, så som en USB-stasjon, minnepinne, harddisk, flyttbart RAM, eller et annet utbredt minnelagringssystem kjent for fagmannen, herunder Internettbasert lager. Informasjonsprosessoren 300 kan være en hvilken som helst form for datamaskin eller matematisk prosesseringsmaskinvare, herunder Internettbasert maskinvare. Når programmet er lastet fra informasjonslagringsmediet 310 inn i prosessorminnet 330 (f.eks. RAM), bevirker programmet, når det blir kjørt, informasjonsprosessoren 300 til å hente frem detektorinformasjon fra enten informasjonslagringsmediet 310 eller det eksterne informasjonslagringsmediet 340 og prosessere informasjonen for å estimere en parameter av interesse. Informasjonsprosessoren 300 kan befinne seg på overflaten eller nede i hullet.

[0017] I bruk kan detektorene 120, 130 samle inn gammastråleinformasjon som er under energinivået nødvendig for pardannelse, siden det kan være tilfeller hvor informasjon om gammastråler med lavere energi kan være nyttig for å bestemme romdensitet. Som vist i figur 4 kan én fremgangsmåte 400 ifølge foreliggende oppfinnelse for å estimere romdensitet i formasjonen anvende et tidsavhengig forhold basert på informasjon innhentet fra detektorene 120, 130. Fremgangsmåten 400 kan omfatte et trinn 410 der en strålingskilde sender ut en puls nær ved en formasjon. I trinn 420 resulterer de resulterende vekselvirkningene mellom pulsen og materialet i formasjonen i tidsavhengig stråling fra formasjonen som kan bli detektert av detektorene 130, 120. Vekselvirkningene kan her omfatte, men er ikke begrenset til, uelastisk spredning, nøytroinnfangning, pardannelse, comptonspredning og fotoeffekten. I trinn 430 kan strålingsinformasjonen innhentet fra den første detektoren 120 bli delt inn i minst to energivinduer, der minst ett av energivinduene er over energinivået nødvendig for pardannelse. I trinn 440 kan strålingsinformasjonen innhentet fra den andre detektoren 130 bli delt inn i de minst to energivinduene. I noen utførelsesformer kan detektoren 120 være den andre detektoren og detektoren 130 kan være den første detektoren. I noen utførelsesformer kan tre eller flere detektorer bli anvendt. Selv om gammastråleinformasjonen fra begge detektorene 120, 130 kan bli delt inn i to identiske energivinduer, kan det første energivinduet til den første detektoren 120 svare til enten det første energivinduet til den andre detektoren eller det andre energivinduet til den andre detektoren. Energivinduene kan her bli omtalt som "intervaller", "vinduer" og "topper". Gammastråleinformasjonen fra detektorene kan bli anvendt for å generere tidsavhengige forhold mellom strålingstellingene estimert av detektorene 120, 130. Alternativt kan informasjon innhentet av detektorene 120, 130 bli anvendt for å beregne en differanse mellom strålingstellingene estimert av detektorene 120, 130. Siden pardannelse kan introdusere feil i gammastråleinformasjon, kan disse feilene eventuelt bli redusert i trinn 450. I trinn 450 kan gammastråleinformasjonen fra det første energivinduet til den første detektoren bli kombinert med gammastråleinformasjonen fra det andre energivinduet til den andre detektoren for å redusere en feil i gammainformasjonen som følge av pardannelse. I trinn 460 kan formasjonens romdensitet bli estimert ved å anvende de korrigerte eller ukorrigerte tidsavhengige forholdene og anvende dem i modellen. Estimeringen av romdensiteten kan også omfatte sammenlikning eller kombinasjon av de tidsavhengige forholdene med referanseinformasjon om formasjonen. I noen utførelsesformer kan estimeringsfremgangsmåten 400 omfatte et trinn 470 der referanseinformasjon om formasjonen eller formasjonene blir hentet frem. Referanseinformasjon kan bli kombinert med tidsavhengige forhold i trinn 460 for å estimere romdensiteten. I modellen kan energivinduet som blir anvendt for gammastråleinformasjonen fra den første detektoren og energivinduet som blir anvendt for gammastråleinformasjonen fra den andre detektoren være like eller forskjellige.

[0018] I utførelsesformer der en pulset strålingskilde blir anvendt kan dempningen av uelastiske gammastråler og forplantningen av innfangningsgammastråler være atskilt i tid. Denne tidsatskillelsen kan gjøre det mulig å skille strålingsdetektorinformasjon ikke bare ved energinivået til gammastrålene mottatt, men også ved når gammastrålenr blir mottatt av detektoren, siden det er velkjent at uelastiske gammastråler ikke ankommer til detektorene veldig lenge etter enden av pulsen fra kilden. I tillegg kan strålingsinformasjon bli estimert for hver enkelt detektor eller som en sum av strålingstellinger mottatt av alle detektorene.

[0019] Siden uelastiske gammastråler og innfangningsgammastråler kan skilles ved deres fødselstidspunkt når en styrt strålingskilde blir anvendt, for eksempel en pulset nøytronkilde, pulset gammastrålekilde eller pulset røntgenstrålekilde, kan de også skilles (i stor grad) ved detektorene i tidsdomenet. Dette kan resultere i skjelning av estimater av uelastisk gammatetthet fra estimater av innfangningsgammastråler og kan også gjøre det mulig å korrigere for pardannelse. Pardannelse fjerner et foton fra systemet, som dersom det ikke korrigeres for kan resultere i en overestimert sannsynlighet for comptonspredning. Comptonspredningssannsynlighet kan regnes om til romdensitet med metoder kjent for fagmannen. Informasjon om innfangningsgammastråler kan være mer følsom for endringer i nøytronfordeling enn informasjon om uelastiske gammastråler. Dette kan være en følge av at den typiske innfangningsgammastrålekildeskyen 560 er større enn den uelastiske gammaskyen 550 og at tilnærmingen for små θ-vinkler ikke nødvendigvis er like gyldig for innfangningsgammastråler som for uelastiske gammastråler.

[0020] For kildeløs tetthet kan estimater av transmisjon/dempning være mer pålitelige enn estimater av comptonspredning siden kildens styrke og fordeling ikke nødvendigvis er kjent. Romdensitet kan bli estimert med bruk av en kombinasjon av innmatinger fra flere detektorer. Estimater av comptonspredning, innfangningsgammastråler og fotoelektrisk tverrsnitt kan bli anvendt for å forovermodellere romdensiteten og/eller beregne et beste estimat fra flere detektorer.

[0021] I en utførelsesform, vist i figur 5, kan tre scintillasjonsdetektorer 510, 520 og 530 være plassert på linje med en nøytronkilde 540 inne i et nedihullsverktøy 500. Detektorene 510, 520 og 530 kan være plassert i forskjellige avstander i et hovedsakelig rettlinjet mønster fra nøytronkilden 540. Et nøytronmål 570 kan tjene som en kildeovervåker. Som vil forstås av fagmannen kan uelastiske gammastråler bli generert i en uelastisk gammasky 550 innenfor formasjonen 180 forholdsvis nær nøytronkilden 540, og innfangningsgammastråler kan bli generert i en innfangningsgammasky 560 innenfor formasjonen 180 i en større romlig fordeling. Som følge av beliggenheten til de uelastiske gammaskyene 550 og innfangningsgammaskyen 560 i formasjonen 180, vil de utsendte gammastrålene komme til detektorene 510, 520, 530 i respektive vinkler θ, 515, 525, 535.

[0022] Når vinklene θ, 515, 525, 535 er små, kan en tilnærming for små vinkler bli anvendt i estimeringen av hvordan hver detektor vil se gammaskyene 550, 560.

Vinklene θ, 515, 525, 535 avtar når avstanden mellom detektorene 510, 520, 530 og nøytronkilden 540 øker. Dersom resultatene med bruk av en tilnærming for små vinkler ikke er tilfredsstillende, kan kollimering bli anvendt for å bedre resultatene. Den effektive posisjonen til kildeskyen 550, 560 kan være gjennomsnittet av skyen sett fra detektorenes perspektiv, på tilsvarende måte som en adjungert respons- eller detektorfølsomhetsfunksjon. Den effektive avstanden fra skyen til detektorene 510, 520, 530 kan bli bestemt fra konvolusjonen av den adjungerte detektorfunksjonen og gammastrålefordelingene.

[0023] I tilfeller der tilnærmingen for små θ-vinkler er gyldig, kan hver detektor 510, 520, 530 se den samme effektive kildeskybeliggenheten, og veilengden mellom hver detektor og kildeskyene 550, 560 og korrelasjonen av gammastrålefysikk med romdensitet (elektrontetthet) kan være kjent.

[0024] I tilfeller der tilnærmingen for små θ-vinkler ikke nødvendigvis er gyldig, kan vanskeligheter forårsaket av en forholdsvis stor uelastisk gammasky eller innfangningsgammasky 560 reduseres ved å anvende kollimering av detektorene 510, 520, 530. Kollimering kan tvinge én eller flere detektorer 510, 520, 530 til å betrakte det ønskede stedet for den uelastiske gammaskyen eller innfangningsgammaskyen 560 og muliggjøre korrelasjon med elektrontetthet og romdensitet. Kollimering kan også være nødvendig som følge av høye tellerater ved den eller de nære detektorene for å hindre metning og pulsoverlapp som forårsaker tap av energioppløsning.

[0025] Innfangningsgammastrålerfra hydrogen og klor med opphav i borehullsfluidene kan også redusere nøyaktigheten til estimatet av romdensiteten. En tabell av innfangningsgammastråleenergier er gitt nedenfor som viser at for å unngå topper fra hydrogen og klor, energivinduer mellom omtrent 2,4 og 5,8 MeV kan bli betraktet dersom en detektor har en energioppløsning på 10% eller bedre. Andre høyenergivinduer kan ikke bli anvendt som følge av deres sterke borehullavhengighet. En detektor med dårlig energioppløsning kan overlappe gammastråletopper med opphav i borehullet og formasjonen ved distinkte energier, og dette kan redusere nøyaktigheten i estimeringen av formasjonens romdensitet.

[0026] Siden gammastrålekildens styrke kan være ukjent i et kildeløst miljø, kan forhold mellom tellerater bli anvendt for å fjerne avhengighet av kunnskap om gammastrålekildens styrke. Romdensitet kan da bli estimert ved hjelp av en modell som relaterer forholdene mellom tellerater til romdensiteten i formasjonen. Det vil forstås av fagmannen at en enertitopp (et vindu) for en hvilken som helst gammastråle kan bli anvendt, ikke bare de uelastiske gammastrålene anvendt i dette eksempelet.

[0027] Som vist i figur 6 kan dempningen av en gammastrålekilde som vandrer gjennom et éndimensjonalt materialstykke bli målt ved reduksjonen av strålingsintensitet i et målt spektrum. Denne dempningen kan bli korrelert med elektrontetthet og romdensitet ved å bestemme forhold mellom den målte intensiteten, som vist ytterligere ved (1) nedenfor. Når Θ er liten, kan den effektive veilengden (t) fra skyen av uelastiske gammastråler til detektoren være invariant med hensyn til variasjoner i posisjonen til kildeskyen. Videre vandrer gammastråler omtrent de samme veilengder gjennom formasjonen og borehullet for hver detektor. For hvert detektorpar kan forholdet mellom gammastråletellingsrater mellom to detektorer uttrykkes som følger:

hvor a,b = 1 , 2, 3 (1)

der I er fellingene innenfor én enkelt gammastråletopp eller ett enkelt energivindu, t er veilengden og μ er den lineære dempningskoeffisienten. Differansen mellom veilengder, [ta- tb], er kun en funksjon av nedihullsverktøyets utforming når Θ er liten.

Endelig er forholdet mellom tellinger, Ia/Ib, en funksjon av μ, som avhenger av A) elektrontetthet i materialet for comptonspredning og B) pardannelsesegenskaper. En flerdimensjonal likning for strålingsdempning kan bli anvendt, som er kjent for fagmannen.

[0028] Likning (1) relaterer forholdet mellom tellingene i toppene (vinduene) for hver detektor til materialets lineære dempningskoeffisient, som kan uttrykkes som funksjon av elektrontetthet når pardannelse er kompensert for. Det er velkjent at elektrontetthet korellerer med romdensitet gjennom forholdet Z/A, og forholdet Z/A er i alminnelighet ~ 0,5.

[0029] Antallet tellinger i en høyenergitopp (vindu) vil ha bidrag fra gammastråler med opphav innenfor toppen (vinduet) og som kun opplever comptonspredning med liten vinkel slik at den tapte gammastråleenergien kan være liten sammenliknet med toppens (vinduets) størrelse. Resultatet er at gammastrålene holder seg innenfor energivinduet de ble generert når de detekteres. Denne effekten kan reduseres ved å anvende smalere topper (vinduer). Dersom høyenergi bulkgammastråletellinger blir innhentet, kan denne effekten naturligvis maksimeres.

[0030] I noen tilfeller kan det være ønskelig å estimere romdensitet i formasjonen ved anvendelse av gammastråler ved energinivåer der en betydelig andel av gammastrålene er over nivået nødvendig for pardannelse, så som i fremgangsmåten 400. Estimater av romdensitet kan forbedres når fremgangsmåten 400 blir anvendt ved å korrigere for pardannelse. Pardannelse kan fysisk korrelere med kvadratet av materialets atomtall, Z<2>, for total atomisk pardannelse og da også som en funksjon av energi i gammastrålene for hvert enkelt grunnstoff. For materialer med lavere Z-verdi er dempningskoeffisienten fra pardannelse gjerne omtrent én størrelsesorden lavere enn den fra comptonspredning innenfor energiene av interesse (omtrent 1 - 6 MeV). En korrigering kan derfor være nødvendig for å få nøyaktige densitetsestimater, men veldig nøyaktige korrigeringsmetoder trenger ikke være nødvendig.

[0031] Pardannelse kan bli kompensert for numerisk fra målt spektralinformasjon på flere måter. For det første kan pardannelse bli numerisk korrelert med en måling av toppen ved 511 keV som følge av positronannihilasjon. Det kan være nødvendig å kompensere for comptonspredning inne i detektoren som også genererer fotoner med energien 511 keV. Apriori kunnskap om detektormaterialet og en detektorresponsfunksjon kan bli kombinert med det målte høyenergi-fotonspekteret for å beregne responsen ved 511 keV som følge av pardannelse i detektoren.

[0032] Pardannelse kan også bli kompensert for ved å anvende flere energivinduforhold (eller toppreduksjoner) for å løse et system av lineære likninger på en direkte måte eller med en minste kvadratmetode for å bestemme innvirkningen av pardannelse på densitetsmålingen. Pardannelse kan bli parametrisert for vanlige formasjonsmaterialer som en funksjon av energi og grunnstoffsammensetning. Dersom formasjonens mineralogi er kjent, er disse parametere gjerne i stor grad kjent. Figur 7 illustrerer et eksempel på gammastråleinformasjon innhentet under trinn 430 fra tre detektorer. Informasjonen kan bli uttrykt som kurver 700, 702, 704 og delt inn i energivinduer 706. Disse gammastråleinformasjonskurvene 700, 702, 704 kan bli uttrykt som forhold 802, 804 i trinn 440, som vist i figur 8. Forholdene 802, 804 kan bli anvendt, i trinn 450, for å estimere romdensitet. Høyere energivinduer 706 kan ha en tendens til å utvise sterkere pardannelseseffekter. Høyere energivinduer 706 kan også være ønskelig som følge av et lavere krav til signalforsterkning og lavere mengder signalstøy som følge av det lavere kravet til signalforsterkning.

[0033] Sekvensen av lineære likninger (2) er som følger:

der I er tellingene innenfor én enkelt gammastråletopp eller ett enkelt energivindu, x er veilengden, μc,per den lineære dempningskoeffisienten som følge av comptonspredning for en gitt topp (peak) p og μpp.per den lineære dempningskoeffisienten som følge av pardannelse for en gitt topp p. Ved å dele opp den lineære dempningen i comptonsprednings- og pardannelseskomponenter, kan optimalisering av de lineære dempningskoeffisientkomponentene korrigere romdensitetsestimatet for pardannelse.

[0034] Endelig kan pardannelse bli kompensert for ved anvendelse av en "ryggrad og ribbein (spine and rib)"-basert metode der ribbeina blir anvendt for å kvantifisere pardannelseseffekter. Et unikt ribbein kan bli beregnet for hver energitopp og hver materialtype. Disse ribbeina kan bli A) kombinert i en parametrisert form for å korrigere romdensitetsestimaten uten kunnskap om litologi, B) anvendt individuelt med apriori kunnskap om tilnærmet litologi, C) anvendt individuelt med målt mineralogisk sammensetning og D) slått sammen til ett enkelt tilnærmet ribbein (f.eks. kalksteindensitet). Målingen av toppreduksjon beskrevet over kan bli anvendt for å løse et system av likninger med en minste kvadratmetode for å bestemme pardannelseskorrigeringen (ribbein).

[0035] I en utførelsesform kan lavere høyenergitopper bli anvendt for et innledende estimat av romdensitet. Deretter kan høyere høyenergitopper bli anvendt for å estimere en korrigering for pardannelse for de innledende romdensitetsestimatene. Denne strategien blir anvendt fordi pardannelseseffekter øker med høyere energi og comptonspredning avtar med høyere energi. Romdensitet kan derfor bedre estimeres ved lavere energitopper (vinduer) og pardannelse kan bedre estimeres ved høyere energitopper (vinduer).

[0036] Dersom P topper (vinduer) er bestemt og B vinduer blir anvendt for å løse for romdensitet, kan P-B vinduer bli anvendt for å løse et system av likninger for å korrigere for pardannelse. Det kan derfor bli foretatt en (P-B)-parametrisering av pardannelsestverrsnittet som en funksjon av energi og materiale. Korrigering for borehulleffekter kan redusere denne parametriseringsrekkefølgen tilsvarende. Alternativt, dersom comptonområdene med lav energi i spektrene korrelerer med omgivelseseffekter, kan ikke parametriseringsrekkefølgen for pardannelse reduseres.

[0037] Som vist i figur 2 baserer fremgangsmåten 200 seg på bruk av uelastiske gammastråler heller enn innfangningsgammastråler. Innfangningsgammastråler kan ha opphav fra en bredere kildefordeling, men de er imidlertid typisk beheftet med omgivelseseffekter. Uelastiske gammastråler fremkommer fra nøytroner med høy energi som er hovedsakelig upåvirket av variasjoner i miljøet. Uelastiske gammastråler kan være dannet i en mindre romlig fordeling, noe som kan øke gyldigheten av antagelsen om at θ er liten. Fremgangsmåten 200 kan bli utført med hvert par av detektorer, og kan resultere i N*Puelastiskforhold for uelastiske gammastråler og N*Pinnfangningforhold for innfangningsgammastråler, der P er antallet topper eller vinduer i innfangningsmodus og uelastisk modus og N er antallet gammastråledetektorer. Et hvilket som helst antall energivinduer kan bli anvendt, og bredden til energivinduene avhenger primært av energivindu-telleratene som er oppnåelig med loggspesifikasjonene.

[0038] Ved anvendelse av forhold mellom detektortellerater blant N detektorer for P antall topper kan bli plottet, noe som resulterer i forbedrede estimater av romdensitet. Forholdene kan bli anvendt for å fjerne behovet for kunnskap om strålingskildens størrelse.

[0039] Med N*P 3 frihetsgrader, der P er antallet unike energitopper i vinduer anvendt i beregninger, kan P bli delt ytterligere inn i P = Puelastisk+ Pinnfangning. Disse ekstra frihetsgradene kan bli anvendt for å danne et omgivelseskorrigert vektet gjennomsnitt av romdensiteten som er mer nøyaktig enn en hvilken som helst enkeltmåling alene. Hver måling inneholder tilnærminger til fysikken som råder i miljøet, som kan være minimert gjennom en minste kvadratbasert, eller tilsvarende, kombinasjon av flere målinger.

[0040] I tillegg kan verdier for og forskjeller i tellerate bli anvendt når utmatingen fra nøytronkilden er kjent. Nøyaktigheten til den resulterende førsteordens skalering kan forbedres med kunnskap om litologien i formasjonen.

[0041] Som vist i figur 4 vedrører en fremgangsmåte 400 tillegging av korrigering for pardannelse i den velkjente metoden for å relatere romdensitet til comptonspredte gammastråler. Sammenlikning av comptonområder ved hver av de tre detektorene kan gi opptil tre flere estimater av romdensitet, eller frihetgrader som kan bli anvendt for korrigering. Dette er en følge av energirelasjonen for comptonspredning, som viser at enhver gammastråle som i betydelig grad spres 1-2 ganger fra høye energier i alminnelighet vil bli redusert til innenfor området 200-1000 keV. Dette muliggjør relativ (forholdsbasert) sammenlikning av comptontellinger uten kunnskap om kildens styrke. Som følge av tilstedeværelsen av klor og hydrogen bør tellinger i comptonområdet kun innhentes under de tidsperiodene med uelastisk spredning for å unngå den større kildefordelingen til innfangningsgammastråler med borehullseffekter. Tilsvarende kan romdensitet også bli estimert ved anvendelse av et fotoelektrisk tverrsnitt for formasjonen.

[0042] Et eksempel på energitopper for uelastisk spredning og innfangning som kan bli målt av en detektor i typiske formasjoner, er vist i figurene 9 & 10 for kalkstein, sandstein og dolomittstein. Mulige gammastrålekilder er listet i tabellen nedenfor, som alle kan bli anvendt for energitopper for uelastisk spredning og innfangning. En topplokaliseringsrutine eller energivindugenerator kan påvise tilstedeværelse av topper i sanntid i innhentede spektre for variable, ukjente litologier. Alternativt kan total spektrene over 1 MeV bli delt inn i innfangnings- og uelastisk spredning-energivinduer på forhånd basert på forventede tellerater. Dette vil utnytte alle tellingene i detektorene over 1 MeV for uelastisk spredning. For innfangning kan områdene for hydrogen og klor unngås for å minimere innvirkningen av borehullsfluid.

[0043] I noen utførelsesformer kan scintillasjonsdetektorer med både høy/lav energioppløsning og høy/lav tetthet bli anvendt basert på bruk av de anvendte metodene med energitopper eller energivinduer. For å identifisere topper på en effektiv måte kan energioppløsning bli gitt prioritet. Bruk av energivinduer krever ikke identifisering av topper og kan tillate bruk av detektorer med lavere energioppløsning. Som er vanlig med scintillatorer kan detektorer med lavere energioppløsning bli optimalisert eller valgt for bedre ytelse ved høyere densiteter, høyere temperatur og høyere tellerate, som ønsket for en bestemt utførelsesform.

[0044] Et densitetsbilde kan frembringes fra denne beskrivelsen med asimutisk registrering av informasjon. Vertikal oppløsning kan være en funksjon av detektoravstand og metoden som anvendes for å beregne et beste estimat med bruk av informasjon fra alle detektorer. Asimutisk oppløsning kan avhenge av detektoravskjerming og oppdeling av tellerater i sektorer. Ved kabelbaserte målinger der det forekommer betydelig invasjon kan korrigering for oppløsning bli gjort med metoden med flere energitopper (vinduer).

[0045] Korrigering for nøytronaktivering i miljøet og påfølgende radioaktiv nedbrytning kan bli gjort gjennom målingen av bakgrunnsstråling når nøytronkilden har vært skrudd av over lang nok tid til at innfangningsgammastråler har dødd ut.

[0046] Avskjerming av detektorene kan bli anvendt for nøytroner og gammastråler. Gammastråleskjold hindrer deteksjon av gammastråler fra bak verktøyet og fra de med opphav inne i verktøyet. Nøytronskjold hindrer at nøytroner kommer seg til detektorområdene og induserer gammastråler. Kombinasjoner av nøytronmoderatorer, nøytronabsorbatorer, epoksyer med høyt hydrogeninnhold og materialer med høy densitet og høy Z-verdi er kjent for fagmannen.

[0047] Selv om beskrivelsen over er rettet mot de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, vil forskjellige modifikasjoner som er definert av de vedføyde kravene, være nærliggende for fagmannen. Det er ment at alle variasjoner skal være definert av de vedføyde kravene og omfattes av beskrivelsen over.

Claims

PATENTKRAV 1. Fremgangsmåte for å estimere en romdensitet i en grunnformasjon (180), omfattende følgende trinn med: å estimere romdensiteten ved hjelp av en modell som relaterer uelastisk gammastråleinformasjon over et energinivå nødvendig for pardannelse innhentet fra en første detektor (120) til uelastisk gammastråleinformasjon innhentet fra en andre detektor (130); å dele inn den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren (120) i minst to energivinduer, der et første energivindu av de minst to energivinduene er over energinivået nødvendig for pardannelse; å dele inn den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren (130) i de minst to energivinduene; og å redusere en feil som følge av pardannelse ved hjelp av den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren (120) innenfor det første energivinduet og den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren (130) innenfor et andre energivindu av de minst to energivinduene.
2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, videre omfattende trinnet med å: eksponere grunnformasjonen (180) for minst én av: (i) en røntgenstrålekilde, (ii) en gammastrålekilde, og (iii) en nøytronkilde.
3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første og den andre detektoren (130) omfatter minst én av: en gammatelling og en gammarate.
4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der modellen anvender en matematisk relasjon mellom den uelastiske gammastråleinformasjonen over energinivået nødvendig for pardannelse innhentet av den første detektoren (120) og den uelastiske gammastråleinformasjonen over energinivået nødvendig for pardannelse innhentet av den andre detektoren (130), der den matematiske relasjonen er én av: (i) et forhold og (ii) en differanse.
5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , der romdensiteten estimeres ved å løse for μ i likningen: der la: gammastråleverdi fra den første detektoren (120), lb: gammastråleverdi fra den andre detektoren (130), ta: avstand mellom den første detektoren (120) og en strålekilde (140), tb: avstand mellom den andre detektoren (130) og strålekilden (140).
6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , videre omfattende trinnet med å: innhente den uelastiske gammastråleinformasjonen ved hjelp av den første (120) og den andre (130) detektoren.
7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der den uelastiske gammastråleinformasjonen fra den første (120) og den andre (130) detektoren er tidsavhengig.
8. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , videre omfattende trinnet med å: innhente innfangningsgammastråleinformasjon fra den første detektoren (120) og den andre detektoren (130).
9. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , der det andre energivinduet er det første energivinduet.
10. Anordning for estimering av romdensitet i en grunnformasjon (180), omfattende: minst én prosessor (300); et ikke-volatilt datamaskinlesbart medium; og et program lagret av det ikke-volatile datamaskinlesbare mediet omfattende instruksjoner som, når de blir eksekvert, bevirker den minst ene prosessoren (300) til: å estimere romdensiteten ved hjelp av en modell som relaterer uelastisk gammastråleinformasjon over et energinivå nødvendig for pardannelse innhentet fra en første detektor (120) med uelastisk gammastråleinformasjon innhentet fra en andre detektor (130); å dele inn den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren (120) i minst to energivinduer, der et første energivindu av de minst to energivinduene er over energinivået nødvendig for pardannelse; å dele inn den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren (130) i de minst to energivinduene; og å redusere en feil som følge av pardannelse ved hjelp av den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den første detektoren (120) innenfor det første energivinduet og den uelastiske gammastråleinformasjonen innhentet fra den andre detektoren (130) innenfor et andre energivindu av de minst to energivinduene.
11. Anordning ifølge krav 10, der programmet videre omfatter instruksjoner som, når de blir eksekvert, bevirker den minst ene prosessoren (300) til: å eksponere grunnformasjonen (180) for minst én av: (i) en røntgenstrålekilde, (ii) en gammastrålekilde, og (iii) en nøytronkilde.
12. Anordning ifølge krav 10, der den uelastiske gammastråleinformasjonen fra den første detektoren (!20) og den andre detektoren (130) omfatter minst én av: en gammatelling og en gammarate.
13. Anordning ifølge krav 10, der modellen anvender en matematisk relasjon mellom den uelastiske gammastråleinformasjonen over energinivået nødvendig for pardannelse innhentet av den første detektoren (120) og den uelastiske gammastråleinformasjonen over energinivået nødvendig for pardannelse innhentet av den andre detektoren (130), der den matematiske relasjonen er én av: (i) et forhold og (ii) en differanse.
14. Anordning ifølge krav 10, der romdensiteten blir estimert ved å løse for μ i likningen:

la: gammastråleverdi fra den første detektoren (120), lb: gammastråleverdi fra den andre detektoren (130), ta: avstand mellom den første detektoren (120) og en strålekilde (140), tb: avstand mellom den andre detektoren (130) og strålekilden (140).
15. Anordning ifølge krav 10, der programmet videre omfatter instruksjoner som, når de blir eksekvert, bevirker den minst ene prosessoren (300) til: å innhente den uelastiske gammastråleinformasjonen ved hjelp av den første (120) og den andre (130) detektoren.
16. Anordning ifølge krav 10, der den uelastiske gammastråleinformasjonen fra den første (120) og den andre (130) detektoren er tidsavhengig.
17. Anordning ifølge krav 10, der programmet videre omfatter instruksjoner som, når de blir eksekvert, bevirker den minst ene prosessoren (300) til: å innhente innfangningsgammastråleinformasjon fra den første (120) og den andre (130) detektoren.
18. Anordning ifølge krav 10, der det andre energivinduet er det første energivinduet.