NO861939L - Fremgangsmaate og apparat for noeytronlevetidslogging. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og

et apparat for radioaktiv brønnlogging ved å bestråle undergrunns-formasjoner som skal undersøkes, med skurer av hurtige nøytroner,

og mer spesielt en forbedret fremgangsmåte og et apparat for karak-terisering av formasjonen på grunnlag av levetiden til den deretter frembragte epitermiske eller termiske nøytronmengde.

Forskjellige teknikker kan anvendes for å karakterisere undergrunnsformas joner med hensyn til deres fluidum- eller mineral-inn-hold, litologiske karakteristikker, porøsitet, eller for å besørge strategrafisk korrelasjon. Nøytronki Iden kan være en kontinuerlig kilde eller en pulset kilde. For eksempel kan nøytron-porøsitets-logging utføres ved å bruke en kontinuerlig nøytronkilde for å bombardere formasjonen med hurtige nøytroner. Formasjonens porø-sitet kan så bestemmes ved å måle termiske nøytroner under anvend-else av to detektorer ved forskjellige avstander fra kilden, eller ved å måle epitermiske nøytroner med en enkelt detektor.

Ved pulset nøytronlogging blir formasjonene bestrålt med gjen-tatte skurer av hurtige nøytroner, vanligvis nøytroner som oppviser en energi større enn 1 MeV. Når de hurtige nøytroner går inn i formasjonen, blir de moderert til lavere energinivåer på grunn av nukleære kollisjonsprosesser med elastisk og uelastisk spredning. Ved elastisk spredning mister nøytronet en del av sin energi i en kollisjon som er fullkomment elastisk, dvs. den energi som nøytronet mister, blir opptatt som kinetisk energi av den kjerne det kolliderer med. Ved uelastisk spredning blir bare litt av den energien som nøytronet mister, opptatt som kinetisk energi av den kjernen det kolliderer med. Resten av energi-tapet har vanligvis form av en gammastråle som utsendes fra kolli-s jonsk jernen.

I løpet av moderasjonen når nøytronene det epitermiske område og blir så ytterligere moderert inntil de når det termiske nøytron-område. Termiske nøytroner er nøytroner som er i termisk likevekt med omgivelsene. Hastighetsfordelingen til de termiske nøytroner følger den såkalte Maxwellske fordelingslov. Den energi som til-svarer den mest sannsynlige hastighet for en temperatur på 20°C,

er 0,025 elektronvolt. Epitermiske nøytroner er de nøytroner som oppviser energier innenfor området fra umiddelbart over det termiske nøytronområde til omkring 100 elektronvolt. Selv om grensen

mellom termiske og epitermiske nøytroner nødvendigvis er noe vil-kårlig, blir den vanligvis plassert i området fra 0.1-10 elektronvolt .

Mengden av nøytroner ved de forskjellige energinivåer avtar med tiden etter primærbestrålingen og frembringer dermed en måte å karakterisere formasjonen på. I tilfeller med elastisk spredning som er fremherskende for energier mellom noen få elektronvolt og omkring 1 MeV, varierer for eksempel det antall kollisjoner som er nødvendig for å moderere et nøytron fra et energinivå til et annet lavere energinivå mer eller mindre direkte med atomvekten til de kjerner som er tilgjengelige for kollisjon. I undergrunns-formasjoner har hydrogenkjerner som er tilstede i hydrogenholdige materialer som olje, vann og gass en tendens til å dominere i ned-bremsningsprosessen. Dermed kan minskningshastigheten til den epitermiske nøytronmengde gi en kvalitativ indikasjon på mengden av hydrogenholdig materiale som er tilstede, noe som igjen kan indi-kere formasjonens porøsitet.

For eksempel US patent nr. 4.097.737 beskriver en fremgangsmåte og et system for epitermisk nøytronlevetidslogging som benytter en 14 MeV pulset nøytronkilde og en nøytrondetektor som er følsom for epitermiske nøytroner og svært diskriminiserende overfor termiske nøytroner.Detektoren er forholdsvis ufølsom for nøytroner med høy energi og har et filter som gjør den skarpt ufølsom for termiske nøytroner.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for nøytronlevetidslogging av undergrunnsformas joner som omgir et borehull. En loggeanordning for et borehull benytter en pulset nøytronkilde for bestråling av formasjonen som omgir borehullet, med hurtige nøytroner. En radiator eller strålings-kilde med et nøytronabsorberende og gammastrålende materiale er plassert i sidestilling med borehullsveggen. Radiatoren er skjermet fra nøytronstråling fra borehullsfluidet slik at dens retningsføl-somhet for sekundær nøytronstråling fra formasjonen, er maksimalisert.Radiatoren frembringer som reaksjon på absorbsjon av slik sekundær nøytronstråling fra formasjonen nøytroninnfangnings-gammastråling. En gammastråledetektor som anvendes i loggeanordningen, måler slik nøytroninnfangnings-gammastråling som en indikasjon på den bestrålte formasjonen omkring borehullet.

En sideveggpute rommer både radiatoren og skjermmaterialet. Radiatoren er anbrakt ved den ene side av puten mens skjermmaterialet fyller resten av sideveggputen. Det er tilveiebrakt en anordning på borehullsapparatet for å bevege puten inn i kontakt med borehullsveggen og orientere puten i asymmetretning slik at den side av puten som rommer radiatoren, presses fast mot borehullsveggen. Sideveggputens lengde tillater fokusering av radiatorens retningsfølsomhet på sekundærstråling fra formasjonen for å utelukke sekundærstråling fra borehullet langs enhver forstør-relse av borehullet som har større lengde enn sideveggputens lengde. Sideveggputens lengde er fortrinnsvis ikke større enn omkring en fot.

Det nøytronabsorberende og gammastrålende materiale som ut-gjør radiatoren, erkarakterisert vedet stort strålende nøytron-innfangnings-tverrsnitt for termisk nøytronlevetidslogging kan dette materiale omfatte kadmium, gadolinium eller indium. For epitermisk nøytronlevetidslogging kan eadmiumet, gadoliniumet eller indiumet vært litiumfiltrert. Det skjærmende materiale kan være bor eller litium som fortrinnsvis befinner seg i et basismateriale av polyetylen,

det vises til de vedføyde tegninger, hvor:

Figur 1 illustrerer en borehulls- loggeanordning med en leddet sideveggpute som inneholder en radiator for bruk i frem-gangsmåten til nøytronlevetidslogging ifølge oppfinnelsen.

Figurene 2 og 3 er vertikale og horisontale tverrsnitt av

den leddede sideveggpute i loggeapparatet på figur 1.

Ved termisk nøytronlevetidslogging for bestemmelse av hydro-karbonmetning og ved epitermisk nøytronlevetidslogging for bestemmelse av bergporøsitet blir en måling av minskningshastigheten av sekundærstråling som oppstår på grunn av injiserte nøytroner, styrt ved formasjonens egenskaper og borehullets egenskaper. Denne måling blir vanligvis utført ved å forsinke analyseperioden i for-hold til nøytronskuren for å tillate den hurtigere desintegrerende nøytronmengde i borehullsfluidet å forsvinne før måling av det langsommere desintegrerende strålingssignal fra formasjonen. Et alternativ til en slik bruk av lange forsinkelsesperioder, er å forsøke å eliminere virkningen av borehullsfluidet ved å fokusere strålingsdetektoren sterkt på formasjonen ved å presse strålings detektoren fast mot borehullsveggen og skjerme den følsomme detektoren fra stråling som stammer fra borehullsfluidet. Ved på denne måten å undertrykke stråling fra borehullsfluidet, kan analyse av den desintegrerende nøytronmengde innledes snarere og vil være mer nøyaktig på grunn av strålingsmålinger med høyere statistisk kvalitet.

Det er derfor et spesielt trekk ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny og forbedret fremgangsmåte og system for nøytronlevetidslogging i borehull som eliminerer slike virkninger av borehullsfluidet ved å bruke en leddet radiator-sideveggpute hvis følsomhet er sterkt fokusert på formasjonen. Radiatorens funksjon er å selektivt absorbere nøytroner etter-hvert som de trer inn i borehullet fra formasjonen. Øyeblik-kelig innfangnings-gammastråling som er et resultat av absorbsjon, blir utsendt av radiatoren, og en del av disse blir detek-tert inne i loggeapparatets hoveddel.

Det vises nå til figur 1 hvor det er vist et borehulls-logge-system ifølge den foreliggende oppfinnelse. En borehullsanordning 10 som henger i en kabel 11, omfatter en pulset nøytronkilde 12 med høy energi, en gammastrålingsdetektor 13 og en leddet radiator-sideveggpute 14. En høyspenningskraftforsyning 15 er tilveiebrakt for kilden 12 og en modul 16 er forsynt med kretser for utnyttelse og modifisering av signaler fra gammastrålingsdetektoren 13. Det er også innbefattet kretser for styring av den høyspente kraftforsyning 15. En understøttelsesarm 17 med påfestet sideveggpute 18 som strekker seg fra loggeanordningen 10, kan være innbefattet for å tvinge anordningen til å følge borehullsveggens 24 middlere kontur. Kabelen 11 strekker seg til en overflateenhet 19 hvor signalene fra gammastrålingsdetektoren 13 blir registrert sammen med en indikasjon på borehullsdybden.

For å oppnå den spesielle hensikt med foreliggende oppfinnelse, nemlig å eliminere de brysomme strålingsvirkninger fra borehullet på målingen av formasjonsstrålingen, er radiatorputen 14 leddet slik at den kan presses mot borehullsveggen 24. Vertikale og horisontale tverrsnitt gjennom radiatorputen 14 er vist på figurene 2 og 3. Puten 14 omfatter et hus 20 som inneholder et strålende materiale 21 (radiatormateriale) og et nøytronskjermende materiale 22.Radiatormaterialet 21 er anbrakt mot en side av huset 20, og det nøytronskjærmende materiale (dvs. det nøytronmodererende og absorberende materiale) 22 fyller den gjenværende del av huset 20. Armen 23 beveger sideveggputen 14 i kontakt med borehullsveggen 24 og orienterer også sideveggputen i asymmet retning slik at den side av huset 20 som radiatormaterialet 21 er anbrakt mot, blir fast presset mot formasjonen. Radiatormaterialet 21 er et sterkt nøytronabsorberende og gammastrålende materiale, for eksempel cadmium. Ved å presse den side av huset 20 som inneholder radia-tormater ialet 21 fast mot borehullsveggen, vil fokuseringen av retningsfølsomheten til radiatormaterialet 21 på formasjonens nøytronstråling bli maksimalisert mens dens retningsfølsomhet for nøytronstråling fra borehullsfluidet, blir minimalisert ved moderasjon og absorbsjon av slik nøytronstråling fra borehullsfluidet i det omgivne nøytronskjærmende materiale 22. Bruken av sideveggputen 14 tillater fokusering av retningsfølsomheten til radiatorputen 14 på sekundærstrålingen fra formasjonen og utelukkelse av sekundærstråling fra borehullsfluidet langs enhver borehullsutvidelse med større lengde enn lengden av sideveggputen 14. Sideveggputen 14 har vanligvis ikke større lengde enn omkring 300 mm og er fortrinnsvis i størrelsesorden 150 til 200 mm. Ved absorbering av formasjonsnøytroner utstråler radia-tormater ialet 21 nøytroninnfangnings-gammastråler som blir detek-tert ved hjelp av gammastrålingsdetektoren 13, hvilken er anbrakt inne i loggeanordningens 10 hoveddel.

Et antall materialer kan brukes som radiatormateriale 21 og nøytronskjermende materiale 22. For termisk nøytronlevetidslog-ging bør radiatormaterialet 21 være kjennetegnet ved et stort strålende nøytroninnfangnings-tverrsnitt. Eksempler på slike materialer er cadmium, indium og gadolinium. Et egnet nøytron-skjærmende materiale 22 kan være bor eller litium, fortrinnsvis opptatt i et basismateriale av polyetylen. Litium utsender ingen gammastråling, og bor utsender bare lavenergi-stråling som lett kan diskrimineres.

For epitermisk nøytronlevetidslogging kan radiatormaterialet 21 omfatte gadolinium, cadmium eller indium filtrert med for eksempel litium. Et egnet nøytronskjærmende materiale 22 kan være bor eller litium, fortrinnsvis opptatt i et basismateriale av polyetylen Den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen som er beskrevet foran, vedrører en fremgangsmåte og et system for retningsmessig nøytronlevetidslogging som maksimaliserer følsomheten for stråling fra formasjonen mens følsomheten for stråling fra borehullsfluidet minimaliseres. Man vil forstå at andre filtrerende, skjærmende og strålende materialer enn de som er beskrevet oven-for, med hell kan benyttes så vel som en uendelig mengde kombi-nasjoner av slike materialer.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for nøytronlevetidslogging av undergrunnsfor-masjoner som omgir et borehull, karakterisert ved : (a) at en radiator som har et nøytronabsorberende og gammastrålende materiale anbringes ved siden av borehullsveggen , (b) at radiatoren skjærmes fra nøytronstråling fra borehullsfluidet, hvorved radiatorens retningsfølsomhet blir maksimalisert med hensyn til sekundær nøytronstråling fra formasjonen og blir minimalisert med hensyn til nøytron-stråling fra borehullet, (c) at de formasjoner som omgir borehullet blir bestrålt med skurer av hurtige nøytroner, (d) at sekundær nøytronstråling fra formasjonen, hvilken kommer inn i borehullet fra de bestrålte formasjoner, absorberes med radiatoren, (e) at nøytroninnfangnings-gammastråler utstråles fra radiatoren som reaksjon på absorbsjon i radiatoren av den sekundære nøytronstråling fra formasjonen, og (f) at nøytroninnfangnings-gammastrålene detekteres som et mål på nøytronlevetids-karakteristikken til de formasjoner som omgir borehullet.

2. Loggeanordning for nøytronlevetidslogging av undergrunnsfor-masjoner som omgir et borehull, karakterisert ved : (a) en pulset kilde for hurtige nøytroner for bestråling av den formasjon som omgir borehullet, med hurtige nøy-troner , (b) minst én retningsfølsom radiatoranordning for måling av sekundærstråling som vender tilbake til borehullet fra den bestrålte formasjon, og for generering av nøytron-innf angnings-gammastråling som reaksjon på sekundærstrålingen, (c) en anordning for å anbringe radiatoranordningen ved siden av den bestrålte formasjonen, og (d) en gammastråledetektor for måling av nøytroninnfang-nings-gammastrålingen, idet den målte nøytroninnfang-nings-gammastråling gir en indikasjon på den bestrålte formasjons nøytronlevetids-karakteristikk.

3. Loggeanordning ifølge krav 2, karakterisert ved at radiatoranordningen omfatter: (a) et nøytronabsorberende og gammastrålende materiale, (b) et skjærmende materiale for moderering og absorbering av sekundær nøytronstråling, (c) en sideveggpute som rommer det nøytronabsorberende og gammastrålende materiale og det skjærmende materiale, idet det nøytronabsorberende og gammastrålende materiale er anordnet mot en side av sideveggputen og det skjærmende materiale fyller den gjenværende del av sideveggputen, og (d) en anordning for å bevege sideveggputen mot borehullsveggen og orientere sideveggputen i asymmet: retning slik at den side av sideveggputen hvor det nøytronabsor-berende og gammastrålende materiale befinner seg, blir fast presset mot borehullsveggen, hvorved fokuseringen av radiator anordningens retningsf ølsornhet på formasjonen blir maksimalisert ved kontaktpunktet, mens radiator-anordningens retningsfølsornhet overfor sekundærstråling fra borehullet blir minimalisert.

4. Loggeanordning ifølge krav 3, karakterisert ved at lengden av sideveggputen tillater fokuseringen av radia-toranordningens retningsfølsornhet på sekundærstråling fra formasjonen for å utelukke sekundærstråling fra borehullet langs even-tuelle borehullsutvidelser som har større lengde enn sideveggputens lengde.

5. Loggeanordning ifølge krav 4, karakterisert ved at sideveggputens lengde ikke er større enn 300 mm.

6. Loggeanordning ifølge krav 5, karakterisert ved at sideveggputens lengde er fra 150 til 200 mm.

7.L oggeanordning ifølge noen av kravene 3 til 6, karakterisert ved at det nøytronabsorberende og gammastrålende materiale har et stort strålende nøytroninnfangnings-tverrsnitt.

8. Loggeanordning ifølge krav 7, karakterisert ved at det nøytronabsorberende og gammastrålende materiale for termisk nøytronlevetidslogging er cadmium, gadolinium eller indium.

9. Loggeanordning ifølge krav 7, karakterisert ved at det nøytronabsorberende og gammastrålende materiale for epitermisk nøytronlevetidslogging er cadmium-filtrert med litium, gadolinium-filtrert med litium eller indium-filtrert med litium.

10. Loggeanordning ifølge noen av kravene 3 til 9, karakterisert ved at det skjærmende materiale er bor eller litium.

11. Loggeanordning ifølge krav 10, karakterisert ved at boret eller litiumet befinner seg i et basismateriale av polyetylen.