NO300866B1 - Fremgangsmåte og apparat for epitermisk nöytron-logging - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører epitermisk nøytron-logging generelt, og, mer spesielt, forbedrede fremgangsmåter og apparat for å bestemme epitermiske nøytroners videre levetid (desintegrasjonsrate) og porøsiteten til en grunnformasjon fri for effekter som skyldes omgivelsene i borehullet.

Nøytroner benyttes effektivt til måling av formasjons-porøsitet fordi hydrogen sterkt påvirker nøytron-moderasjon,

og fordi porerommene i bergarter nesten alltid er fylt med hydrogenrike fluider, d.v.s. hydrokarboner og/eller vann. I en type loggeverktøy hvor nøytroner benyttes til å måle porøsitet utnyttes den grunnleggende sterke responsen av nøytron-spredning og -transport på hydrogeninnhold ved å måle tellerater ved en eller flere avstander langs borehullet fra en nøytron-kilde. Slike verktøy omfatter typisk en kjemisk nøytronkilde og en eller, vanligere, to detektorer av termisk, epitermisk eller gammastråletype. Telleratene er korrelerbare med porøsitet, enten individuelt eller ved å ta et forhold mellom to tellerater.

Et tidlig verktøy av denne typen benyttet en enkelt epitermisk nøytrondetektor i en labb eller pute som ble trykket mekanisk mot borehullsveggen. Denne sideveggs-anordningen hadde fordelen at den reduserte effekter av borehullets strørrelse på porøsitets-målingene, men kunne forstyrres av ukjent detektorplassering (standoff) som følge av at det kan danne seg en slamkake mellom labbens overflate og borehulls-veggen. Senere verktøy benyttet et forhold mellom telleratene fra to detektorer for å oppnå første ordens kompensasjon for slike effekter som skyldes omgivelsene i borehullet. Lav nøytronfluks, med påfølgende lave tellerater, og strålings-fare, var og er imidlertid et vedvarende problem med disse verktøyene. Forholdet mellom telleratenes følsomhet overfor formasjonens litologi, er også en forstyrrende effekt. Ved deteksjon av termiske nøytroner eller innfangings-gammastråler virker likeledes effekten av termiske nøytron-absorbatorer forstyrrende.

I den senere tid er det utviklet verktøy som bruker akseleratorer som nøytronkilder. Selv om disse gir mer intense nøytronflukser og sikrere driftsbetingelser enn kjemiske kilder, resulterer de høyere nøytron-energiene (14 MeV) frembrakt av slike verktøy i nedsatt følsomhet av forholdet mellom telleratene overfor porøsitet over 20 % - 25 % området. Denne ulempen ved tidligere akselerator-baserte verktøy blir søkt løst av Albats og Antkiw i US patent nr. 4 760 242 publisert 26. juli 1988 med tittel "Well Logging Tool With Accelerator Neutron Source". I tillegg til teknikken med forhold mellom tellerater beskriver Alberts og Antkiw også en teknikk for å bestemme porøsitet fra et kryssplott av to tellerater av epitermiske nøytroner. Verktøyet omfatter nærliggende (near-spaced) og fjerntliggende (far-spaced) epitermiske detektorer. Den nærliggende detektoren er spesielt skjernet for å gjøre den følsom overfor effekter som skyldes omgivelsene i borehullet og for å gjøre den mindre følsom overfor formasjonens porøsitet. Signalet ut fra den nærliggende detektoren er derfor nyttig til å kompensere for effekter som skyldes omgivelsene i borehullet, enten porøsiteten bestemmes av forholdsteknikken eller kryssplott-teknikken.

I en annen type logge-verktøy hvor nøytroner benyttes til å finne porøsitet, sees den sterke nøytronresponsen til hydrogen ved å detektere nedbrytningen eller desintegrasjonen av formasjonens populasjon av epitermiske nøytroner etter en påtrykt sverm (burst) av høyenergetiske nøytroner. Tidsav-hengig måling av nedbrytningen til populasjonen av epitermiske nøytroner gir fordeler av reduserte litologieffekter og en forbedret porøsitetsfølsomhet i forhold til sammenligninger mellom tellerater. Ulike teknikker for å implementere den grunnleggende nedbrytnings-målingen er foreslått.

For eksempel beskriver US patentene nr. 4 097 737 og nr.

4 266 126 til Mills deteksjon av en populasjon epitermiske nøytroner i flere suksessive tidsvindu mellom nøytron-svermer og sammenligning av forhold mellom tellerater fra suksessive vinduer til å identifisere tidsvinduene som faller på den lineære (eksponensielle) delen av nedbrytningskurven. Tidsvinduene identifisert på denne måten, benyttes deretter til å bestemme nedbrytningsraten, eller midlere levetid, for epitermiske nøytroner i formasjonen på basis av en enkelt eksponensiell desintregrasjonsfunksjon. Den epitermiske nedbrytningsraten er en indikasjon på mengden hydrogenholdig materiale til stede i formasjonen, og følgelig av formasjonens porøsitet. Kun en enkelt epitermisk nøytron-detektor er nødvendig.

I U.S. patent nr. 4 283 624 beskriver Mills måling av midlere levetid til epitermiske nøytroner ved bruk av to

detektorer med ulik energifølsomhet i forhold til den kjemiske bindingsenergien til bundet hydrogen i formasjonen. Hensikten med de to målingene av desintegrasjonsraten er å skille mellom fritt hydrogen (som funnet i vann eller olje) og bundet

hydrogen (som kjemisk eller på annen måte immobilt bundet til bergarters overflater), hvilket igjen har som hensikt å tilveiebringe en porøsitetsmåling basert på innholdet av fritt hydrogen alene. Den suksessive tidsvindu-teknikken i de tidligere Mills patentene nr. 4 097 737 og nr. 4 266 126 benyttes for å bestemme hver av de to desintegrasjons-konstantene fra de lineære delene av nedbrytningskurvene målt ved de to detektor-energiene. Antakelsen om enkelt-eksponensiell desintegrasjon av populasjonen av epitermiske nøytroner som gjøres i Mills patenter tar imidlertid ikke alltid tilstrekkelig hensyn til effekter som skyldes omgivelsene i borehullet og som man støter på under virkelige logge-betingelser.

Det nyere US patent nr. 4 625 110 til Smith beskriver et loggesystem med en enkelt detektor som benytte epitermiske nøytroner til å finner porøsiteten, i hvilket både tidlige og senere deler av nedbrytningskurven etter relativt korte påtrykte nøytron-svermer detekteres og analyseres på basis av at den detekterte kurven representerer summen av to i hovedsak uavhengige nøytron-populasjoner, en i borehullet og en i formasjonen, som antas å desitegrere eksponensielt med ulike hastigheter. Dette to-eksponensielle systemet basert på korte, påtrykte svermer søker eksplisitt å detektere borehulls-komponenten av nedbrytningskurven, og å forbedre den statistiske presisjonen til målingene av midlere levetid forbundet med formasjonen. Selv om sonden ikke er plassert sentralt i borehullet, er systemet fortsatt mottakelig for effektene av nøytron-spredning inne i borehullets innhold siden detektoren verken er plassert eksentrisk i sonden eller skjermet på baksiden mot borehulls-nøytroner. Detektorens tellerater reduseres av den aksiale avstanden mellom detektoren og nøytronkilden, og som følge av at det benyttes en mellomliggende skjerm med høy tetthet.

EP-0203690 viser et loggeverktøy for desintegrasjonstid for epitermiske nøytroner, med en høyenergetisk, pulset nøytronkilde og en eller flere epitermiske nøytrondetektorer som er skjermet på baksiden mot borehullsnøytroner, og som tvinges mot borehullsveggen for å redusere "standoff" for detektoren. Fjerning av "standoff" foregår ved å tvinge detektorene tett inn mot borehullsveggen. Publikasjonen viser eller antyder imidlertid ikke noen teknikk for å behandle den målte epitermiske nøytron-hendøingskurven slik at det tas hensyn til innvirkningen av den faktiske gjenværende "stand-off", som ikke kan fjernes helt ved detektor-plassering. Slik gjenværende standoff kan allikevel påvirke den detekterte kurven i betydelig grad. Dessuten bidrar nærværet av selve slamkaken på borehullsveggen til standoff-effekter. Detektor-plasseringen i EP-publikasjonen er ikke rettet mot, og kom-penserer heller ikke for hverken gjenværende detektor-standoff eller for slamkake-effekter.

De foregående og andre ulemper ved tidligere kjent teknikk og systemer for porøsitetslogging ved hjelp av nøytroner, avhjelpes ved den foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen omfatter et apparat og en fremgangsmåte for epitermisk desintegrasjonstids-logging, og defineres presist i sin mest omfattende form i de vedføyde selvstendige patent-kravene 1 og 11. Ytterligere fordelaktige utførelser av oppfinnelsen angis i de uselvstendige kravene 2-10 og 12-18.

I henhold til oppfinnelsen bestemmes desintegrasjonstiden for de epitermiske nøytronene, og følgelig porøsiteten til en grunnformasjon ved å måle nedbrytningen til den epitermiske nøytron-populasjonen som følger etter en høyenergetisk påtrykt nøytron-sverm på en måte som minimaliserer innvirkningen av ukjent detektorplassering og andre omgivelses-messige effekter, og deretter prosessere de målte data for nedbrytningskurvene i henhold til en multiparametrisk tilpasnings-funksjon som effektivt skiller formasjonens (desintegrasjons-tidens) effekt på den målte kurven fra hvilke som helst andre gjenværende stand-off (omgivelsesmessige) effekter. Store, eller første ordens, borehullseffekter minimaliseres ved å plassere den epitermiske detektoren eller detektorene eksentrisk inne i borehullet, og ved å skjerme det aktive volumet til hver detektor mot nøytroner som faller inn på denne fra alle retninger unntatt fra formasjonen. De aktive dimensjonene til hver detektor er fortrinnsvis ikke større enn noen få typiske midlere fri veilengder for epitermiske nøytroner, for full fordel av den naturlig gode romlige opp-løsningen til målinger av epitermiske nøytroners nedbremsingstid. Selv om kun en enkelt epitermisk nøytrondetektor er nødvendig foretrekkes en matrise av slike detektorer for å utvide arealet over hvilket data innsamles. Dette kan gjøres uten tap av oppløsning i de individuelle detektorene og gir muligheter for å forbedre telleratestatistikk eller retnings-følsomheten til undersøkelsen ved å gruppere utvalgte detektor-signaler.

I en foretrukket utførelsesform bæres detektor-matrisen for epitermiske nøytroner av en eksternt montert labb som selv er tilvirket av det nøytron-skjermende medium. Det skjermende medium omfatter fortrinnsvis en kombinasjon av en l/v type nøytron-absorberer og et hydrogenholdig nøytron-modererende materiale, som sammen virker ved å moderere hurtige nøytroner til termisk energi-nivå, og deretter absorbere dem inne i delen laget av det skjermende medium. Et slikt nøytron-skjermende medium gjør det mulig å plassere labben og detektor-matrisen rett overfor nøytron-generatoren, d.vM.s. ved den samme longitudinale posisjonen langs loggesonden, uten uønsket bakgrunns-interferens fra termiske nøytroner, og derved forbedre tellerate-statistikken fra detektorene vesentlig. De individuelle detektorene er fortrinnsvis av 3 He type trykksatt til minst 10 Atm for maksimal effektivitet, og er kledt med 4 0 til 6 0 mil kadmium for ytterligere å senke følsomheten overfor termiske nøytroner.

I tillegg til den epitermiske nøytron-detektoren, eller de epitermiske nøytron-detektorene, er en nøytronkilde-monitor, fortrinnsvis en plastscintillator, plassert nær nøytron-generatoren med det for øye å overvåke profilen til den påtrykte nøytron-svermen. Informasjon om tiden svermen opptrer og formen på svermen bestemmes, og inntas i prosesseringen av de målte nedbrytnings-kurvene for epitermiske nøytroner for å ta hensyn til effektene av fluktuasjon eller drift i sverm-parametrene.

De målte epitermiske nedbrytningskurvene analyseres ved å tilpasse dem til en multiparametrisk eksponensialfunksjon som omfatter en tidskonstant parameter representativ for formasjonens desintegrasjonstid, og minst en ytterligere parameter representativ for effekten av detektorens stand off og andre omgivelsesmessige effekter. Den generelle formen til den multiparametriske tilpasningsfunksjonen er

N(t) = N0e("<c/A><+> B/t--' + K

hvor N(t) er antall epitermiske nøytroner ved tiden t, NQ er antall epitermiske nøytroner ved et starttidspunkt t0, e er grunntall i det naturlige logaritmesystemet, A er desintegrasjonstids-konstanten for de epitermiske nøytronene, B er en parameter som representerer stand off (omgivelsesmessige) effekter, og K er en bakgrunnsfunksjon. Bakgrunnsfunksjonen K kan ha form av et konstant bakgrunnsantall. Alternativt kan K-leddet ha form K<*>C(t), hvor C(t) er en generell formel for en ikke-konstant tidskurve for bakgrunn, fortrinnsvis målt med en detektor for termiske nøytroner. I sistnevnte tilfelle er K en tilpasset parameter som normaliserer bakgrunnen. Ytterligere ledd, for eksempel C/2t<2>, D/3t<3>, etc, kan føyes til eksponensialet når det er nødvendig for å oppnå bedre tilpasning til de målte data. De singulære egenskapene til de inverse t-leddene i tilpasningsfunksjonen ved t = 0, forår-saker ingen problemer, fordi tilpasningsintervallet ikke

omfatter t = 0. Bakgrunnen kan også måles og trekkes fra antallsdataene for de epitermiske nøytronene, eller på annen måte tas hensyn til, i hvilket tilfelle K-leddet kan utelates fra tilpasningsfunksjonen. Desintegrasjonstids-parameteren A er direkte forbundet og korrelerbar med formasjonens porøsitet og er i hovedsak uavhengig av litologi. Den multiparametriske formen på tilpasningsfunksjonen skiller effektivt mellom effekten fra formasjonens nedbremsingstid på de målte nedbryt-ningsdata og effekten av stand-off og tilveiebringer derved målinger av desintegrasjonstid kompensert for stand-off.

Fordi tidsforholdet mellom de målte nedbrytningskurvene for epitermiske nøytroner og nøytron-svermene som gir opphar til slike kurver i praksis kan variere på grunn av drift eller andre endringer i profilen til nøytron-svermen, beregnes en eller flere referansetids-parametere for svermen, fortrinnsvis dens sentroide eller bakkant og også svermens bredde, og sammenlignes med faste referanseverdier for disse parametrene for å bestemme størrelsen for enhver endring i svermens karakter. I tilfelle endringer i tidsinnstillingen til sentroiden eller bakkanten (halen) forskyves nedbrytnings-kurvene i tid for å opprettholde det ønskede tidsforholdet mellom kurvene og nøytronsvermen. Fortrinnsvis oppnås dette ved å justere starttiden til et fast avlesnings- eller tilpasningsvindu et passende stykke og i passende retning, som eksempelvis bestemt av en sammenlikning av den beregnede svermsentroiden med den faste referanse-tiden for svermsentroiden. I tilfelle.uakseptable endringer av svermbredden kan situasjonen flagges og passende tiltak iverksettes.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen, kan det refereres til den følgende beskrivelse av representative utførelsesformer av denne, og til tegningene, i hvilke: Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av en utføreselsform av brønnloggings-apparatur for å utføre epitermisk nøytron-logging i en brønn eller et borehull ifølge oppfinnelsen; Fig. 2 er et horisontalt snitt av hullsonden i figur 1,

tatt langs linjen 2-2 i figur 1 og sett i retning av

pilene; Fig. 3 er et perspektivisk riss av en utførelsesform av en labb-montert detektormatrise for å tilveiebringe forbedret tellerate-statistikk og/eller direktivitet i målinger av midlere levetid for epitermiske nøytroner; Fig. 4A og 4B er grafiske fremstillinger som illustrerer ensembler av epitermiske nøytron-antall vs. tidskurver som en funksjon av plassering i vann (standoff) for to ulike porøsiteter, hvor også tilsvarende to-parameter A-B tilpasninger ifølge den foreliggende oppfinnelse er vist med stiplede linjer; Fig. 5A og 5B er grafiske fremstillinger av henholdsvis tidskonstanten A for desintegrasjonen av de epitermiske nøytronene, og B parameteren i henhold til den multi-parametriske tilpasningsteknikken ifølge oppfinnelsen vs. tykkelse på vannskjerm (standoff) for to ulike porøsiteter, hvor det i figur 5A også er vist plott av den enkelt-eksponensiale tidskonstanten vs. plassering (standoff) for de samme to porøsitetene; Fig. 6 er en grafisk sammenligning av de epitermiske desintegrasjonstids-konstantene A og B parameterverdiene for to ulike plasseringer, som viser separasjonen mellom formasjons- og standoff-effektene som oppnås ved toparametriske tilpasninger ifølge oppfinnelsen; Fig. 7 er en grafisk fremstilling av den inverse epitermiske midlere levetid eller desintegrasjonstids-konstant (bestemt ved bruk av den multi-parametriske tilpasningsteknikken ifølge foreliggende oppfinnelse) vs. porøsitet for to ulike testformasjoner; Fig. 8 er en grafisk fremstilling som forestiller den vertikale oppløsningen av den inverse tidskonstanten (l/A) i en simulert tynn-lomme formasjon; Fig. 9 er et skjematisk og deskriptivt flytdiagram som

illustrerer en utførelsesform av en databehandlings-prosedyre for å bestemme desintegrasjonstidskonstanten for de epitermiske nøytronene A og standoff-parameteren B i en datamaskin på overflaten i henhold til den multi-parametriske tilpasningsteknikken ifølge oppfinnelsen; og

Fig. 10 er et skjematisk blokkdiagram over en utførelsesform av de elektroniske systemene til en epitermisk nøytronlogge-apparatur konstruert i henhold til oppfinnelsen.

Den skjematiske utførelsesformen av oppfinnelsen fremstilt i figur 1, er et brønnloggingsverktøy for å utføre desintegrasjonstids- og porøsitetslogging ved hjelp av epitermiske nøytroner av underjordiske jordformasjoner illustrert som å omfatte en sonde 10 nede i hullet opphengt i et borehull 12 av en armert kabel 14. Kabelen 14 forbinder sonden nede i hullet til utstyr på overflaten som omfatter en pakke 16 med overflate-elektronikk, fortrinnsvis omfattende en lastebil-eller slede-montert digital datamaskin og tilhørende periferiutstyr, og en opptaker/plotter 18 for å tilveiebringe det vanlige visuelle og/eller magnetiske opptaket av de målte parametere vs. dybde i borehullet. For dette formålet er opptakeren/plotteren 18 elektrisk eller mekanisk koplet, som antydet skjematisk av linje 20, til et kabelfølgende skivehjul 22 .

Sonden 10 er ment å være et sideveggs-verktøy, og derfor er en buefjær 24, eller en annen desentraliserende anordning, tilveiebrakt for å tvinge mot sideveggen til borehullet 12. Borehullet 12 er illustrert som et åpent hull, inneholdende et fluidum 25 og med en slamkake 26 dannet på hullets vegg. Selv om verktøyet først og fremst er ment for åpenhulls-logging, kan det også benyttes i forede hull (cased holes) . Sonden 10 omfatter et trykk- og temperatur-bestandig hus 2 8 som omfatter fortrinnsvis nær sin nedre ende, en nøytron-generator 3 0 og en tilhørende kontroll- og høyspennings-strømforsyningsdel 32. Nøytron-generatoren 3 0 er fortrinnsvis av deuterium-tritium akseleratortype kjent på området, se for eksempel US patent nr. 2 991 364 til Goodman og US patent nr. 3 546 512 til Fren-torp. De relevante delene av '3 64 og '512 patentene inkorporeres med dette ved referanse. Signaler for å kontrollere virkemåten til nøytrongeneratoren 30 og høyspenningsdelen 32 sendes til disse enhetene fra en sondeprogrammeringsdel 34, som er nøyere beskrevet nedenfor.

En detektormatrise 36 for å måle desintegrasjonen av populasjonen av epitermiske nøytroner i en grunnformasjon 3 7 som omgir brønnen eller borehullet 12, er plassert overfor nøytron-generatoren 30, d.v.s. ved hovedsakelig den lange longitudinale posisjonen langs lengden av sonden 10. En slik liten avstand mellom detektor-matrisen 3 6 og nøytron-generatoren 3 0 forbedrer detektorens tellestatistikk signifikant sammenliknet med det som tidligere er kjent på området, nemlig å forskyve detektorene fra nøytron-generatoren i sondens lengderetning. Selv om nøytron-generatoren og detektormatrisen av hensyn til formålet med den foreliggende oppfinnelse fortrinnsvis er plassert ved den samme eller omtrent den samme longitudinale posisjonen i sonden, kan de separeres longitudinalt om ønskelig.

I tillegg til detektormatrisen 36, er en nøytron kilde-monitor 3 8 plassert tett inntil nøytron-generatoren 30, slik at den blir følsom primært overfor høyenergetiske innfallende nøytroner direkte fra kilden 30 heller enn overfor lavere energi, spredte nøytroner eller gammastråler. Monitoren 38 omfatter fortrinnsvis en proton-rekyltype plast-scintillator så som den som er beskrevet i US patent nr. 4 760 252 til Albats et al, hvis relevante deler herved inkorporeres ved referanse.

Pulssignalene ut fra detektor-matrisen 36 og kilde-monitoren 38, føres til en elektronikkdel 40 hvor de forsterkes og digitaliseres før de føres til telemetridelen 42 for transmisjon over kabelen 14 til overflateelektronikk-pakken 16. Som illustrert i figurene 1 og 2 er detektor-matrisen 3 6 fortrinnsvis innesluttet i en labb 44 montert på det ytre av sonden 10E diametrisk motstående buefjæren 24. Labben 44 er formet for å skjære inn i slamkaken 26 for å posisjonere detektorene nær borehulls-veggen, for å redusere slamkake-effekten, som kan være stor for målinger av nedbremsingstiden til epitermiske nøytroner.

I hydrogenhoIdige media er den midlere nedbremsingstiden til nøytron ved en gitt epitermisk energi, for eksempel energiterskelen til detektoren, sterkt influert av tiden mellom de siste få spredningene som finner sted ved energier over den gitte epitermiske energi. De epitermiske nøytronene som detekteres er altoverveiende dem som hadde sine siste få spredninger nær detektoren. Den sterke påvirkningen av de siste få spredningene over deteksjonsenergien på nedbremsingstiden forsterker derfor effekten av mediet nær detektoren på den tidsavhengige nøytron-fluksen. Følelig gir målinger av nøytroners desintegrasjonstid naturlig god romlig oppløsning, som kan forbedres ved et passende valg av detektorens størrelse og ved å tilveiebringe flere detektorer i en passende arrangert matrise. Dette gjør det mulig å bestemme porøsiteten i tynne lommer, og også å skille følger av tynne lommer, i motsetning til konvensjonelle nøytronlogge-metoder i hvilke tellerater måles ved ulike avstander fra nøytron-kilden, og hvilke frembringer en gjennomsnittsverdi for formasjonens porøsitet mellom kilden og detektoren.

For å utnytte fordelene ved den naturlig gode romlige oppløsningen av målinger av nedbremsingstid, bør de enkelte nøytron-detektorene ha korte aktive lengder i vertikal-retningen. Detektorenes effektivitet bør også være så høy som mulig gitt detektorenes strørrelse, og tidsoppløsningen bør også være tilstrekkelig til å trekke maksimal informasjon ut fra tidskurvene fra desintegrasjonen. Innen disse generelle kriteriene er det funnet at romlig oppløsning ikke forbedres signifikant når detektorenes aktive volumlengder er kortere enn omtrent 2,5 tommer (6,5 cm), mens kortere aktive volumer fører til reduserte tellerater. En passende detektor-sammenstilling er en 0,75 tommers (2,0 cm) diameter x 2,5 tommer (6,5 cm) lang 3He detektor ved 20 atmosfærer. Alternativt kan en detektorbunt som omfatter tre 0,25 tommers (0,635 cm) diameter x 2,5 tommer (6,5 cm) lange 3 He detektorer ved 20 atmosfærer benyttes. I begge tilfeller er detektorene fortrinnsvis skjermet av 1,3 mm kadmium for å isolere detektoren fra termiske nøytroner. Selv om andre skjerm-materialer så som gadolinium og samarium og andre skjermtykkelser kan benyttes, foretrekkes et kadmiumdekke i området fra 1,5 til 1,5 mm fordi det gir en mer optimal balanse mellom undertrykkelse mellom termiske nøytroner og realisering av mer presise målinger av den epitermiske desintegrasjonskurven over et større antall dekader enn andre dekk-materialer gjør. For eksempel vil en annen, men mindre effektiv, kledning være 0,05 til 0,4 mm av gadolinium. Andre indre trykk kan også benyttes, men fortrinnsvis minst 10 Atm. for økt effektivitet.

Som nevnt ovenfor kan den epitermiske detektoren eller detektorene plasseres direkte motstående nøytron-generatoren, for å forbedre tellerate-statistikkene. Kildedetektor-avstanden er imidlertid ikke kritisk for fysikken til målingene av nedbremsingstid. D.v.s. at hver individuelle detektor vil oppvise naturlig god romlig oppløsning selv om det er forskjøvet fra nøytronkilden. Dette gir muligheter for å forbedre tellerate-statistikkene og/eller retningsfølsom-heten for målingen av nedbremsingstid, ved å anordne flere detektorer i en detektor-matrise.

I den skjematiske utførelsesformen på figur 3 for eksempel, er detektor-matrisen 36 vist som omfattet tolv individuelle detektorer 46 arrangert i tre rekker langs omkretsen med fire detektorer hver, med detektorene i naborekker innrettet aksielt, slik at de utgjør fire vertikale kolonner med tre detektorer hver. Et annet antall eller arrangement av detektorer kan selvsagt benyttes, også en enkelt detektor om ønskelig. Istedet for å benytte bare epitermiske detektorer, kan også en eller flere av detektorene i matrisen være en termisk nøytron-detektor for å kunne måle desintegrasjons-kurven til de epitermiske nøytronene, eller på annen måte indikere størrelsen av den termiske nøytron-populasjonen ved enhver gitt tid etter en påtrykt nøytron-sverm. For eksempel kan en slik termisk nøytron-detektor benyttes til å måle

bakgrunnens tidskurve C(t) i likning (1) ovenfor.

Signalene ut fra de ulike detektorene 4 6 i matrisen 3 6 kan prosesseres på ulike måter for å tilveiebringe forbedret informasjon med hensyn til grunnformasjonen som omgir sonden eller omgivelsene i borehullet. Som beskrevet i det følgende i forbindelse med figur 10, blir utsignalene fra de individuelle detektorene fortrinnsvis prosessert og sendt til overflaten individuelt. Dette gir maksimum fleksibilitet i prosesseringen og sammenstillingen av signalene i datamaskinen på overflaten. For eksempel kan, når høy vertikal oppløsning er ønsket, tellesignalene fra alle fire detektorene i hver rekke av matrisen kombineres for å tilveiebringe en statistisk mer presis måling av desintegrasjonstiden ved nivået til hver detektorrekke. For matrisen i figur 3, ville dette frembringe tre ulike målinger av desintegrasjonstiden over den vertikale høyden til matrisen. På den annen side kan, om det er ønskelig å tilveiebringe større oppløsning langs omkretsen eller horisontalt, tellesignalene fra de tre detektorene i hver vertikale kolonne i matrisen kombineres for å tilveiebringe fire ulike målinger av desintegrasjonstiden ved fire ulike plasseringer langs omkretsen av borehullsveggen. En slik kombinasjon av målinger kan være nyttig, for eksempel når det er ønskelig å følge en sprekkdannelse i formasjonen, eller når det er ønskelig å bestemme helningen til en lomme. I hvert fall tillater flere detektorer anordnet i en matrise målinger av desintegrasjonstid som oppviser større følsomhet overfor det geometriske forholdet mellom formasjonens inhomogeniteter i forhold til sondens akse, og i forhold til midten av detektor-matrisen.

Som vist i figurene 1 til 3 er detektor-matrisen 3 6 montert i en utenpåliggende labb 44 for å lette plassering av detektorene nær formasjonen 37. Selv om labben 44 fortrinnsvis ligger utenpå huset, er dette ikke essensielt, og detektorene kan om ønskelig monteres inne i sondehuset som illustrert og beskrevet i forbindelse med figurene 3 og 4 av de ovenfor nevnte Albats et. al. Patent nr. 4 760 252. De relevante delene av dette patentet er med dette inkorporet ved referanse. Alternativt kan den detektor-bærende labben 44 bæres av en uttrekkbar arm festet ved et ledd til sondehuset 28, i hvilket tilfellet buefjæren 24 kan erstattes med en ytterligere arm som på likningene måte er leddet til huset 28.

Uavhengig av hvordan detektorene er montert, er det viktig at de er skjermet mot borehulls-nøytroner, d.v.s. nøytroner som er spredt og bremset ned ved deksel-virkning med borehulls-mediene istedet for med formasjonen. For dette formålet er detektorene 46 fortrinnsvis skjermet på alle sider unntatt på formasjonssiden med et medium som både har nøytron-modererende og nøytron-absorberende egenskaper. Generelt bør det nøytron-modererende materialet være et hydrogenholdig materiale, så som polyetylen eller liknende, og nøytron-absorbereren bør være en l/v type, så om bor eller liknende, hvor v er nøytron-hastigheten. Et passende kompositt-medium til skjerming er eksempelvis borkarbid (B4C) fordelt i en epoxymatrise eller annet hydrogenholdig bindingsmedium. I utførelsesformen på figurene 1 til 3 er hoveddelen av labben 44 selv dannet av det skjermende materialet, og detektoren 46 er plassert i U-formede kanaler 48 i veggen til labbens hoveddel som vender mot formasjonen 37. Som vist i figur 3 er kanalene 48 lukket ved sine aksiale ender for å isolere detektorene 46 fra borehulls-nøytroner som faller inn på denne i aksial retning. Denne fullstendige bakre skjermingen av detektorene reduserer vesentlig innvirkningen av effekter som skyldes omgivelsene i borehullet på målingen av nedbremsingstid. Siden av labben 44 som vender mot formasjonen er dekket av et tynt, hardt materiale, for eksempel silisium-karbid. aluminium eller liknende, som et mekanisk deksel for å beskytte detektorene 46 mot skade.

Nøytronsignalet fra generatoren 3 0 bør være så høyt som mulig, men bør begrenses til en påtrykt svermbredde som er av størrelsesorden, og fortrinnsvis mindre enn, nedbremsingstidene til grunnformasjonene som forventes påtruffet ved virkelige loggebetingelser. Nedbremsingstidene for kommersielt signifikante formasjoner varierer over det omtrentlige verdiområdet fra omkring 2 til 15 mikrosekunder for kadmium-kledte nøytron-detektorer og fra omtrent 4 til 20 mikrosekunder for gadoliniumkledte detektorer. En passende svermbredde vil være av størrelsesorden 15 mikrosekunder eller mindre. Med formålet for den foreliggende oppfinnelse for øyet, er foretrukne tidsparametre for svermen fra nøytron-generatoren 3 0 en svermbredde på 50 mikrosekunder repetert ved en rate på 2 0 kHz. Andre tidsparametre for svermen kan selvsagt også benyttes.

Selv med detektorlabben 44 presset mot sideveggen til borehullet 12, og når den skjærer inn i slamkaken 26, vil det ofte være noe gjenværende tykkelse av slamkake eller bore-hullsfluidum mellom detektorene 46 på formasjonens overflate. Den resulterende avstanden mellom detektoren og borehulls-veggen påvirker formen til desintegrasjonskurven for de epitermiske nøytronene, og med mindre det tas hensyn til, leder til feilaktige desintegrasjonstider og porøsitet-målinger. Som et trekk ved den foreliggende oppfinnelse har en ny parametrisk form blitt utviklet for å tilpasse de epitermiske nøytronenes desintegrasjons-kurve for å skille formasjonssignalet fra effekten som skyldes avstanden (omgivelsene), og således gjøre det mulig å bestemme fra kurven til den eksponensielle helningen, eller tidskonstanten, karakteristika av formasjonens ned-bremsingstid.

Figurene 4A og 4B illustrerer ensembler av epitermiske nøytroners desintegrasjonskurver tatt i kunstige aluminiums-plateformasjoner ved to ulike porøsiteter (0,125 tommer tykke aluminiumsplater stablet ved variable avstander og nedsenket i vann). Etter en innledende tidsforsinkelse på omtrent 5 til 10 mikrosekunder etter svermen, har desintegrasjonskurvene en tilnærmet eksponensiell desintegrasjon med helning (tidskonstant) som varierer inverst med formasjonens hydrogeninnhold eller, ekvivalent, formasjonens porøsitet. Selv om målingen av desintegrasjonstid har svært lav respons til litologi, (omtrent +. 1%) , har den en signifikant til omgivelsene og avstand som skyldes slamkake. De to ensemblene av kurver i figurene 4A og 4B illustrerer avstandseffekten for økende vannskjerm (0 - 2,25 tommer) foran aluminiumsforma-sjoner med henholdsvis 33 p.u. og 13,2 p.u. porøsitet. Kurvene ble målt ved bruk av en 20 Atm., 0,75 tommer diameter x 2 tommer lang 3He detektor, og ved å pulse nøytron-generatoren ved 20 kHz med en 5 mikrosekunders svermbredde.

Desintegrasjonskurvene i figurene 4A og 4B er svært like inntil omtrent 10 mikrosekunder etter starten av nøytron-svermen. Deretter har den neste delen av kurvene et tids-område med nedbremsing hvor det foregår vesentlige variasjoner. Endelig, ved svært lange tider etter svermen, er kurvene vesentlig konstante med tiden, hvilket representerer deteksjon av nøytroner som er i termisk likevekt med formasjonen og borehullet, og hvilke nøytroners desintegrasjon er av størrelsesorden noen titalls hundredels mikrosekunder, og derfor hovedsakelig konstant i forhold til nedbremsingstidene til de epitermiske nøytronene. Med økende avstand (standoff) viser tidsregionen hvor nedbremsing av nøytronene foregår en avtakende tidsregion med en helning konsistent med ingen (0,0 tommer) standoff. Ved 2,25 tommer standoff, er desintegrasjonskurven ganske lik den for vann. Resultater for 50 % porøsitets-slamkake er grovt sett ekvivalente hvis slamkakens tykkelse er dobbelt så stor som den for vannskjermen. Den parametriske tilpasningen ifølge den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å skille begge disse effektene, d.v.s. formasjonens desintegrasjonstid og standoff (omgivelsesmessige) og å vurdere dem separat.

Det grunnleggende formålet med å tilpasse desintegrasjonskurver er å bestemme den eksponensielle helningen eller tidskonstanten fra kurven som er karakteristisk fra formasjonens nedbremsingstid. Dette er en enkel affære hvis desintegrasjons-kurven er et enkelt eksponensial. Når kurven imidlertid er kompleks gir ukritisk bruk av multieksponen-sielle tilpasninger ofte ikke stabile svar. I henhold til den foreliggende oppfinnelse er en grunnleggende forskjellig måte å nærme seg problemet på, utnyttet for å parametrisere komplekse desintegrasjons-kurver.

Oppførselen til nøytroners nedbremsingstid i et homogent og essensielt uendelig medium styres av likningen for nedbremsingstid:

hvor £(E',E) er spredningsmatrisen som representerer spredning av nøytroner fra en energi til en annen ved mediet,

<*> representerer matrise-multiplikasjon, <i>(t,E) er den energi-og tidsavhengige nøytron-populasjonen som kan betraktes som en vektor i vektorrommet utspent av £(E',E), og v(E') er hastig-heten til et nøytron med energi E'.

Likning (2) er lineær, og løsningen *(E,t) kan skrives som en sum over en distribusjon G(b,E) eller G(b) for korthets skyld, av inverse tidskonstanter (t) , som følger:

hvor b s 1/t

Desintegrasjons-kurven som observeres er i effekt et integral over et kontinuerlig spektrum av tidskonstanter. Betraktet på denne måten er tilpasning, eller analyse, av en desintegrasjons-kurve utledet fra en måling av nedbremsingstid ekvivalent til å bestemme spekteret av inverse tidskonstanter som definerer desintegrasjonskurven. Vanligvis forhindrer den statistiske støyen god et endelige tidsintervallet i virkelige nedbrytningskurver denne beregningen fra å konvergere uten ytterligere a priori begrensninger. Ikke desto mindre er begrepet at det grunnleggende målet med tidskurve-tilpasning er å bestemme tidskonstanten eller eksponent-distribusjonen nyttig. Dette er sørlig tilfelle når det betraktes at det, ved virkelige målinger i borehull, er rimelig å forvente at tidskonstant-spektrumet til en desintegrasjonskurve vil være nærmere en bred, glatt distribusjon enn et spektrum av flere veldefinerte tidskonstanter, på grunn av den vanligvis kompli-serte geometri og heterogenitet av materialer som finnes i borehulls-omgivelsene.

Det kan vises fra likning (3) at en tidskonstant-distribusjon som er begrenset nedad av en tidskonstant (l/A)

og som kan representeres av en Taylor-rekke pluss en deltafunksjon

gir opphav til desintegrasjons-kurver av form:

hvor N(t) er antall epitermiske nøytroner ved tiden t, N0 er antall epitermiske nøytroner ved en starttid tc og hvor B, C og D utledes fra koeffisientene i Taylor-utviklingen.

Viktige fordeler ved formen på likning (5) er, (1) at spekteret av tidskonstanter har en veldefinert fundamental invers tidskonstant gitt av deltafunksjonen med koeffisient N0, og (2), at en rekke av ytterligere parametere, som kan benyttes etter behov for å beskrive den økende kompleksiteten til desintegrasjons-kurven er tilveiebrakt.

I grensetilfellet stor tid (t) som er tilstrekkelig

nøyaktig i praktiske brønnloggings-anvendelser, kan likning (5) uttrykkes i ekvivalent form som:

Likningene (5) og (6) forutsetter at telledata N(t), Nc er korrigert for termisk nøytron eller andre bakgrunnsforstyrrelser. I praksis er det foretrukket å inkludere bakgrunn som et tilpasset ledd. I tillegg er det funnet at de fleste kurver tilpasses godt over det interessante tidsområdet med kun to parametere, d.v.s. A og B. Følgelig blir likning (6) for de fleste praktiske anvendelser: Hvor N0, A og B tilpasser den eksponensielle delen av desintegrasjons-kurven, og K tilpasser den konstante bakgrunnen ved store tider t. Desintegrasjons-kurven for epitermiske nøytroner følger generelt funksjonen i likning (7) i det passende standoff området (0,0 til 0,5 tommer) og de passende desintegrasjonstids-områdene (5-50 mikrosekunder etter den påtrykte svermen). For rask tilpasning av de målte epitermiske desintegrasjonskurve-data i datamaskinen på overflaten, foretrekkes imidlertid den lett modifiserte formen av likning (7):

hvor t0 er en forhåndssatt parameter for å definere starttids-

punktet for tilpasningen i forhold til den påtrykte nøytron-svermen, og ts er starttiden til tilpasnings (avlesnings) vinduet. I denne formen er N(t) lik N0 når t er lik ts. Resultatene som oppnås fra likning (8) avviker lett fra den som oppnås med likning (7), men er likeverdige for praktiske formål.

Kurvene tegnet med stiplede linjer i figurene 4A og 4B representerer tilpasningene til de respektive målte desinte-gras jonskurvene til den parametriske formen i likning (8), hvor kun de to parametrene A og B er tatt med. Et signifikant trekk ved denne toparametriske formen er at, i tillegg til at den er i stand til å tilpasse ensemblene av kurver i 4A og 4B, parametrene A og B skiller kurvenes avhengighet av standoff og slamkake fra avhengigheten av formasjon. Dette er illustrert i figurene 5A og 5B, hvor desintegrasjonstidskonstanten A er plottet vs. standoff og B-parameteren vs. standoff for henholdsvis 33 % og 13,6 % porøsitet simulerte formasjoner. For sammenlikningsformål er verdiene for desintegrasjonstids-konstantene oppnådd med en enkelt eksponensiell tilpasning på figur 5A plottet mot desintegrasjonskurvene som oppnås i de to ulike porøsitetsformasjonene.

Som det fremgår av figur 5A, opptrer liten variasjon i verdien av tidskonstanten A inntil en standoff på mer enn 0,5 tommer vann nås, etter hvilken tidskonstanten A avtar gradvis og lineært med økende standoff. Figur 5B viser på den andre side at B-parameteren er lineært avhengig av avstandens stør-relse, og varierer vesentlig i størrelse med avstand (stand-off) . Den toparametriske (A-B) tilpasningsformens evne til å skille effekten fra formasjonen på nedbremsingstiden fra den til effekten fra standoff og slamkake er tydelig demonstrert.

Generelt gjelder det at når presisjon, men ikke nøyaktig-het, noen ganger mistes når ekstra parametere føyes til en kruvetilpasnings-prosedyre. I tilfellet på figur 5A er presisjonen til desintegrasjonstids-konstanten A 1,5 til 2 ganger dårligere enn tidskonstanten som oppnås ved en enkel eksponensiell tilpasning til dataene. Som det går tidlige fram av figur 5A, er imidlertid vinsten i nøyaktighet med A-B tilpasningsformen stor i forhold til den enkle eksponensielle tilpasningen, særlig ved den lavere porøsiteten. For praktiske formål gjelder det videre at presisjonen kan gjenvinnes hvis standoff er kjent.

Målingene plottet på figur 5A viser tydelig at den to-parametriske tilpasningsformen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å avføle formasjonens desintegrasjonstid tilstrekkelig godt inntil minst 0,5 tommer vannskjerm. Vannskjerm påvirker målingene på grunn av den store' mengden hydrogen i området mellom detektoren og formasjonen. Et 1,5 tommer tykt standoff-område med 33 % porøsitet vil ventelig ha samme effekt som en 0,5 tommers vannskjerm. Ved null standoff vil derfor undersøkelsesdybden til den multiparametriske tilpasningsteknikken ifølge den foreliggende oppfinnelse ventelig være av størrelsesorden 1,5 tommer.

Et ytterligere viktig trekk ved den to-parametriske tilpasningen er at avviket av B-parameterleddet fra null indikerer hvor mye den epitermiske desintegrasjonstiden avviker fra en enkel eksponensiell desintegrasjon. For eksempel indikerer avviket av B-parameteren fra null i tilfellet ikke porøse eller lav-porøse formasjoner den ikke-eksponensielle desintegrasjonen til den epitermiske nøytron-populasjonen i slike formasjoner. Dette gjelder selv om desintegrasjons-kurven er godt tilpasset av den to-parametriske formen.

Som det går frem av dataene i figur 5B er B-parameterleddet avhengig ikke bare av størrelsen på standoff, men også på formasjonens porøsitet. Med formasjoner som har uniform porøsitet har B-parameteren på den annen siden en liten direkte respons til porøsitet. Når formasjonens desintegrasjonstid (og således porøsitet) endres raskt méd dybden, for eksempel slik som den som opptrer ved lommegrenser, vil de epitermiske desintegrasjons-kurvene ikke ha en enkelt eksponensiell form selv ved null standoff. Dette vil manifestere seg i et større B-parameterledd, og store verdier av B-parameterleddet er funnet å være korrelert ved høy porøsitets-kontrast ved lommegrenser. B-parameterleddet topper seg da også når loggeverktøyet krysser grensen mellom to lommer med ulik porøsitet. Selv om desintegrasjonstids-leddet A av den to-parametriske tilpasningen også endres når verktøyet krysser en lommegrense, gjør B-parameterleddet det mulig å oppnå en skarpere definisjon av lommegrenser.

Skillet mellom standoff- og formasjons-effekter oppnådd ved den multiparametriske tilpasningen ifølge oppfinnelsen er ytterligere illustrert av dataene i figur 6. I figur 6 representerer kurven 50 (åpne firkanter) splittet av desintegrasjons tids -parameteren A vs. dybde langs en simulert tynn-lomme formasjon med null standoff. Formasjonen bestod av en rekke likedannende stykker av porøst materiale med et åtte tommers gjennomgående borehull. De individuelle stykkenes porøsitet varierte mellom 0,0 og 35,0 porøsitetsenheter. Stykkenes tykkelse varierte fra en til åtte tommer. Så langt det var mulig med et endelig antall stykker var rekkefølgen av stykker tilfeldig. De porøse materialene var enten kalksten eller stabler av 0,125 tommer aluminiumsplater med variable avstander. Dataene ble tatt ved bruk av en 0,75 tommer diameter x 2 tommer lang 20 Atm 3He detektor dekket med 1,3 mm kadmium. Kurve 52 (fylte firkanter) i figur 6 representerer et plott av desintegrasjonstids-konstanten A som utledet av den samme formasjonen, og med den samme detektoren, men med betingelsen 0,25 tommers vannskjerm. Som det fremgår av figuren er desintegrasjonstids (A-parameter) kurvene ganske like over den fulle dybden til den simulerte formasjonen. De andre to kurvene i figur 6, d.v.s. kurve 54 (firkanter med strek) og kurve 56 (sirkler med strek) representerer B-parameterleddet for henholdsvis null standoff og 0,25 tommer standoff. I motsetning til kurvene 50 og 52 for A-parameterleddet, avviker B-parameterkurvene 54 og 56 fra hverandre med omtrent 2 enheter langs den fulle dybden av formasjonen. Det er følgelig klart at den to-parametriske tilpasningsformen ifølge oppfinnelsen effektivt har skilt formasjonens (nedbremsingstidens) og standoffens påvirkninger på målingene av de epitermiske nøytronenes desintegrasjons-kurver, og har tilveiebrakt en desintegrasjonstids-måling (A-parameter) som er hovedsakelig fri for standoff (omgivelses-messige) effekter.

Figur 7 er et plott av den inverse desintegrasjonstids-parameteren (l/A) vs. relativ porøsitet, som viser at den inverse parameteren l/A varierer lineært med porøsiteten, og som også viser at desintegrasjonstids-parameteren A kun i liten grad påvirkes av avvik i formasjonens litologi. Selv om den inverse desintegrasjonstids-konstanten (l/A) for enkelthets skyld er plottet mot porøsitet i figur 7, er det klart at den inverse om ønskelig kan plottes mot porøsitet. I begge tilfeller er desintegrasjonstids-parameteren A, som bestemt av den multiparametriske tilpasningen ifølge den foreliggende oppfinnelse, direkte korrelerbar med, og representativ for, formasjonens porøsitet.

Den vertikale oppløsningen av desintegrasjonstids-målingen illustreres i figur 8, som viser responsen av den inverse tidskonstanten (l/A) til endringer i porøsitet når detektoren passerer en svært tynn simulert lomme. En enkelt 0,75 tommer x 2,0 tommers 3He detektor, trykksatt til 20 Atm og klett med 50 mil kadmium ble benyttet. Responsen til den inverse tidskonstanten sees å være tilnærmet Gaussisk, med et full-bredde-halv-maksimum (FWHM) på 3,75 tommer. Dette gir en bedre iboende vertikal oppløsning enn tidligere kjente verktøy basert på forhold mellom tellerater med en faktor på 3 til 4. Fordi nøytronenes nedbremsingsprosess er grovt sett isotop, bør den vertikale følsomhetsfunksjonen på figur 8 også være representativ for undersøkelsesdybden. Dette indikerer en undersøkelsesdybde på omtrent halvparten av FWHM, eller omtrent 1,87 tommer, hvilket er konsistent med undersøkelses-dybden antydet av standoff-målingene vist i figur 5A.

Figur 9 fremstiller et flytdiagram over en foretrukket prosesserings-prosedyre for å analysere en desintegrasjons-kurve for epitermiske nøytroner i henhold til den multi-parametriske tilpasnings-funksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse. Prosesseringsstegene er fremstilt i grafisk form på venstre side av figur 9, og i ord og matematisk for på høyre side. Figur 10 illustrerer elektronikk-komponentene, nede i borehullet <q>g på overflaten, for å utføre henholdsvis datagenererings-, datainnsamlings-, og dataprosesserings-stegene.

Hver sverm-målingssyklus innledes ved at sondeprogrammereren 34 sender en referansetidspuls 58 til ionekilde-pulseren 60, som i sin tur genererer en ionekildepuls (ISP) 62 som føres til ionekilden (ikke vist) i nøytron-generatoren 3 0 (se figur 1). Ionekildepulsen (ISP) får nøytrongeneratoren 30 til å sende ut en sverm av nøytroner 64 med tilnærmet rektangulært tverrsnitt. Som vist i figur 9 ligger fremkant av nøytronsvermen et lite tidsintervall etter framkanten av ionekildepulsen. Størrelsen av dette tidsintervallet avhenger av egenskapene til det enkelte nøytron-generatorrøret. Abscissen i figur 9 er en tidsakse med avmerkede verdier som vekselvis kan betegnes som bestemte tider t, eller som bestemte kanalnumre n i en multikanal-tidsanalysator. Om ønskelig kan størrelsen av tidsforsinkelsen mellom starttidspunktet for ionekildepulsen og starttidspunktet for nøytron-svermen forlenges for å tilveiebringe et tidsintervall for bakgrunnsmålinger etter slutten av det foregående måle-intervallet for epitermiske nøytroner.

I fravær av forstyrrende effekter, så som temperatur-endringer i omgivelsene eller liknende, bør nøytronsvermen 64 fra en gitt nøytrongenerator opptre ved en forhåndsbestemt plassering langs tidsaksen. Ethvert passende referansepunkt langs svermprofilen, så som fremkant eller bakkant av svermen, kan benyttes for å definere den forhåndsbestemte referansetiden. I utførelsesformen på figur 9, er svermsentroiden benyttet for å definere den forhåndsbestemte plasseringen av svermen ved tiden tp og kanalnummer rip. De forhåndsbestemte tidsparametrene til nøytronsvermen 64 er lagret i datamaskinen på overflaten for bruk i påfølgende prosessering.

For korrekt analyse av de måte desintegrasjonskurvene for epitermiske nøytroner ved bruk av den multiparametriske tilpasningen ifølge oppfinnelsen, er det viktig at tidsintervallet dataene innsamles opprettholdes i et kjent forhold til tiden nøytronsvermen opptrer. Ellers er det mulig at tellerate-dataene kan forstyrres av endringer i måletiden i forhold til svermen, istedet for å gjenspeile de virkelige nedbremsingsegenskapene for nøytroner i formasjonen. I virkeligheten varierer imidlertid ofte tiden nøytronsvermen opptrer, og varigheten av nøytronsvermen, i løpet av tiden data innsamles, på grunn av temperatur-effekter i omgivelsene i borehullet, eller på grunn av fluktuasjoner i drifts-vilkårene inne i nøytron-generatorrøret. Slike variasjoner av nøytronsvermens parametere kan, selv om de typisk er små, ikke desto mindre forstyrre nøyaktigheten av desintegrasjons-målingene for epitermiske nøytroner på en uheldig måte, hvilke målinger også foretas over et svært kort tidsintervall, typisk 50 mikrosekunder eller kortere.

Som et første steg bør den virkelige tiden nøytronsvermen forekommer derfor bestemmes og sammenliknes med den forhåndsbestemte tidsplasseringen av svermen, for å gjøre det mulig å kompensere for ethvert avvik av den aktuelle svermplasseringen fra den forhåndsplasserte svermplasseringen. I den foretrukne utførelsesformen på figur 9, er antall versus tid kurven 66 fra nøytronkilde-monitoren 38 benyttet for dette formål. Med utgangspunkt i antillene Cim fra nøytronkilde-monitoren beregnes sentroideplasseringen og bredden av nøytronsvermen som antydet ved boks 68 i figur 9. Med dette for bøyet føres utsignalene fra nøytronmonitoren 38 til en forforsterker 68, forsterker 70 og tidsdigitaliserer 72 i elektronikkdelen 40 for å frembringe et svermhistogram (nøytronkilde-signal vs. tidskurve) 66. Tidsdigitalisereren 72 armeres av en START puls fra sonde-programmereren 34, som er synkronisert med ionekildepulsen for (ISP) og opptrer like før nøytronsvermen. KLOKKE-pulser fra sondeprogrammereren 34 bestemmer bredden av tidskanalene, og inn-signalene fra forsterkeren 70 stopper KLOKKE-pulstellerne i digitalisereren 72 for å digitalisere tidsintervallene fra START-pulsen med inn-signalene. Ved enden av datainnsamlings-intervallet, for eksempel 40-50 mikrosekunder etter svermen, blir digitalisereren 72 tilbakesatt til null og avlesning av en RESET-puls fra

sondeprogrammereren 34.

Under kontroll av en minneprogrammerer 74 i elektronikkdelen 40 blir ut-signalene (antall pr kanal) fra tidsdigitalisereren 72 multiplekset ved 76 med de andre detektorsignalene som beskrevet i det følgende, og føres til et digitalt leseskrive minne 78 i elektronikkdelen 40 nede i borehullet. Hver tidskanal er tilordnet en minne-adresse, og adressen fra en individuell signalkanal følger umiddelbart etter hverandre. Histogrammet av dataene fra en signalkanal oppnås ved å øke tallet som er lagret ved en gitt adresse med en hver gang et nytt signal opptrer id en tilsvarende tidskanalen. Data for antall pr. kanal for nøytron-monitoren 3 8 akkumuleres i minnet 78 nede i borehullet i løpet av et forhåndsbestemt tidsintervall, for eksempel 1 sekund, og blir deretter lest og slettet fra minnet av minneprogrammereren 74, ført til telemetridelen 80 nede i borehullet, og sendt serielt over loggekabelen 14 til den øvre telemetridelen 82 i elektronikk-pakken 16 på overflaten. Data for antall pr. kanal fra den øvre telemetridelen 82 akkumuleres i et bufferlager (ikke vist), som inngår som en del av en generell digital datamaskin 84 i overflateelektronikken 16, for å oppnå nøytronsverm-histogrammet 66 over et ønsket innsamlingstids-intervall, som eksempelvis kan velges slik at det svarer til et spesifikt dybdeintervall avhengig av loggehastigheten til sonden 10 i borehullet.

Passende kretser for elektronikkdelen 40 nede i borehullet er nærmere Nelligan's US patent nr. 4 012 712 nevnt ovenfor, bortsett fra at pulshøyde-analysatoren beskrevet i det patentet vil være erstattet med en tidsdigitaliserer. Telemetridelene 80 og 82 kan være laget som beskrevet i Nelligan's '712 patent eller som beskrevet i Belaigues et al. US patent nr. 4 255 310. De relevante delene av '712 og '310 patentene er med dette inkorporert ved referanse.

Med utgangspunkt i de innsamlede data for antall pr. kanal Cim, hvor i betegner kanalnummeret og m betegner kildemonitoren, beregner datamaskinen 84 kanalplasseringen nc til svermsentroiden ved å summere produktene av Cim x n± fra i=0 til i=N, hvor N er et vilkårlig valgt kanalnummer over enhver kanalplassering hvor det er sannsynlig av svermen opptrer, og deretter dividere summen av produktene med de totale antall over kanalene i=0 til i=N. Denne utregningene er indikert ved venstre side av boks 68 i figur 9. Svermbredden regnes også ut fortrinnsvis ved å beregne annen ordnes moment omkring svermsentroiden. Dette gjøres ved å utføre beregningene vist på høyre side av boks 68. Den beregnede svermbredden kan deretter sammenlignes med bredden av ionekilde-pulsen 64, for å avgjøre om den virkelige svermbredden er tilfredsstillende. Hvis ikke blir denne tilstanden flagget, slik at passende tiltak kan iverksettes.

I det illustrerende eksempelet på figur 9, har utregning av svermens sentroide i boks 68 for svermhistogrammet 66 vist at sentroideplasseringen nc avviker fra den forhåndsbestemt sentroideplasseringen np med stykket nc - rip. I praksis kan differansen nc - np enten være positiv eller negativ. I begge tilfeller bør avviket mellom svermplasseringen fra den forhåndsbestemte plasseringen av svermen tas hensyn til for nøyaktig prosessering av de målte data for epitermiske nøytroners nedbrytnings-kurver. Dette gjøres essensielt ved å forskyve antall pr. kanal-fordelingene fra detektorene for epitermiske nøytroner med stykket nc - np, og å utføre analysen under forutsetning av at svermens sentroide er ved den forhåndsbestemte plasseringen np. I praksis utføres denne justeringen fortrinnsvis ved å definere et fast avlesningsvindu 70 langs tidsaksen. Vinduet 70 begynner ved en tid ts, ns, og ender ved tiden te, ne. Starttiden ts, ns velges fortrinnsvis ved en fast tid eller antall kanaler n etter tidsplasseringen tc, nc til svermens sentroide. (se figur 9). Følgelig vil den nominelle plasseringen ns av startkanalen til avlesningsvinduet 70 være np + n. Når, som i eksempelet på figur 9, den virkelige plasseringen nc av svermens sentroide avviker fra den forhåndsbestemte sentroide-plasseringen np, må også stykket nc - np adderes (positivt eller negativt) til verdien av np for å oppnå den riktige startplasseringen ns av avlesningsvinduet 70. Denne utregningen er vist ved boks 72 i

figur 9.

Varigheten av det faste tidsvinduet 70 kan velges etter ønske, og er fortrinnsvis tilstrekkelig lang til å omfatte desintegrasjonen av den epitermiske nøytron-populasjonen fra en tid etter den påtrykte nøytronsvermen ved hvilken de tidlige borehullseffektene hovedsakelig er forsvunnet, til en tid ved hvilken desintegrasjonen hovedsakelig har nådd bakgrunnsnivået( av termiske nøytroner. Ved typiske logge-betingelser kan avlesningsvinduet 70 for eksempel strekke seg fra omtrent 5-10 mikrosekunder til omtrent 40-50 mikrosekudner etter svermens sentroide, under forutsetning av en 5 mikrosekunders bred nøytronsverm.

Avlesningsvinduet 70 definert på denne måten, benyttes deretter til å analysere nedbrytningskurven for de epitermiske nøytronene slik den er målt av de epitermiske nøytrondetek-torene 46, og innhentet over datainnsamlings-intervallet for hvilket plasseringen nc av svermens sentroide nettopp er utregnet. Som vist i figur 10 er de individuelle nøytron-detektorene 46a, 46b, 46c,...46n fortrinnsvis individuelt koplet til separate forforsterkere 86a, 86b, 86c,... 86n forsterkere 88a, 88b, 88c, .. 88n, og tidsdigitaliserere 90a, 90b, 90c,... 90n for å definere separate signalkanaler. I likhet med dataene fra nøytronkilde-monitoren 3 8 føres utsignalene, som representerer antall pr. kanal, fra disse signalkanalene for epitermiske nøytroner til multiplekseren 76 for multipleksing til lese/skrive-minnet 78 under kontroll av minne-programmereren 74. Alternativt kunne grupper av nøytrondetektorene, for eksempel detektorene 46a, 46b og 46c være sammenkoplet mot en enkelt forforsterker og tidsdigitaliserer krets for å tilveiebringe en summert måling av desintegrasjonskurver. Som tidligere nevnt kunne de grupperte detektorene omfatte de fire detektorene i hver horisontale rekke i figur 3, eller de tre detektorene i hver vertikale kolonne i figur 3. Fortrinnsvis blir imidlertid utsignalene fra de individuelle epitermiske nøytrondetektorene talt og prosessert separat i elektronikken i borehullet, og blir sendt separat til overflaten, mens enhver ønsket kombinasjon av de separate detektorenes antall/kanal-data utføres i dataproses-seringen som foretas i regnemaskinen 84. Dette gjør det mulig å oppnå maksimal fleksibilitet i å kombinere og analysere de målte nedbrytnings-data for epitermiske nøytroner.

Sondeprogrammereren 34 styrer virkemåten til tidsdigitaliserende 90a, 90b, 90c... 90n ved å generere START, KLOKKE

og RESET pulser på samme måte som tidligere beskrevet i forbindelse med kilde-monitoren 38. Bredde og antall kanaler som tilveiebringes er valgfri, men bør være tilstrekkelig til å gi god oppløsning til nedbrytningskur<«>vene over hele måle-intervallet mellom svermene.

På samme måte som for antall pr. kanal-signalene fra kildemonitoren 38, akkumuleres antall pr. kanal-signalene fra tidsdigitaliserende 90a, 90b, 90c...90n i minnet 78 nede i borehullet inntil de leses ut av minneprogrammereren 74 for telemetri til overflaten. Disse dataene ble også akkumulert i buffer-lageret til datamaskinen 84 på overflaten i det ønskede innsamlings-intervallet, og blir deretter overført til datamaskinen for prosessering i henhold til den multiparametriske tilpasnings-funksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Den foretrukne form av det multiparametriske forholdet som er implementert i datamaskinprogrammet er formen som er vist i likning (8).

De innsamlede antall pr. kanal-data Cie for epitermiske nøytroner, og for kanalnumrene i=ns til ne, benyttes til å estimere startverdier for n0 og K ved å sette N0 lik Cns og K

lik Cne. Dette er antydet i boks 92, og i tidsgrafen 94 ved siden av, i figur 9. Startverdien av desintegrasjonens tidsparameter A blir deretter estimert i boks 96, basert på en forutsetning om enkel eksponensiell desintegrasjon, fra forholdet mellom antallene Cx og C2 av epitermiske nøytroner i to tidsintervall 98 og 100, med sentroider plassert ved henholdsvis ti, ni og t2, n2. Bredden av tidsintervallene 98

og 100 kan velges som ønskelig for å tilveiebringe tilfredsstillende total-antall i de to intervallene. Ved å benytte start-estimatene av N0, K og A, som funnet i boksene 92 og 96, utføres deretter en tilpasning etter minstekvadraters metode

av likning (8) til antallene Cie fra de epitermiske detektorene for i = ns til i=ne. I den første iterasjonen kan verdien av B-parameteren settes lik 0. Dette steget er illustrert ved boks 102 i figur 9. Den best tilpassede kurven er illustrert ved en stiplet linje i tidsgrafen 104 ved siden av. (Avviket mellom den stiplede og den heltrukne linjen er i tidsgrafen 104 overdrevet for tydelighetens skyld). Enhver passende, kommersielt tilgjengelig minste kvadraters rutine kan benyttes til denne tilpasningen. En passende rutine er for eksempel ZXSSQ-rutinen, som er tilgjengelig for International Mathematicl Subroutine Library. Tilpasningskriterier kan velges som ønskelig, for eksempel kji-kvadrat, minimum RMS spesifisert antall iterasjoner osv.

Etter at likning (8) er tilpasset de målte epitermiske tellerate-data inne i avlesnings-vinduet 70, blir den endelige verdien av desintegrasjonens tidsparameter A konvertert ved boks 105 til en porøsitets-verdi 0 i henhold til forholdet på figur 7 eller annen kalibreringskurve. Verdiene av A, B, 0, og om ønskelig, Nn og K, blir deretter lest ut av datamaskinen 84 til opptakeren eller plotteren 18 for opptak på vanlig måte som en funksjon av dybde på en filmopptaker 106 og en magnetisk båndopptaker 108. I tillegg til de tilpassede parametrene blir fortrinnsvis også antall pr. kanal-data fra nøytron-monitoren 3 8 og de epitermiske nøytron-detektorene 46a-c... 46n lagret på magnetbånd.

Selv om utførelsesformene av figurene 9 og 10 er beskrevet ovenfor i sammenheng med en on-line eller sanntids, tilpasningsprosedyre ved brønnen, er det klart at prosesseringen kunne vært utført et annet sted om det skulle være ønskelig. I så fall behøver overflate-elektronikken 16 på stedet kun å ta opp tellerate-data fra detektorene i borehullet, og prosesseringen av disse data i henhold til prosedyren vist på figur 9 kunne vært utført et annet sted basert på de magnetisk lagrede data.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet og illustrert her med referanse til spesifikke utførelsesformer av denne, skal det forstås at ulike modifikasjoner og variasjoner kan utføres på slike utførelsesformer uten at dette avviker fra den beskrevne, oppfinneriske ide. Følgelig er det meningen å omfatte alle slike variasjoner og modifikasjoner i de vedføyde krav.

Claims (18)

1. Apparat for epitermisk desintegrasjonstids-logging av en grunnformasjon gjennomboret av en brønn, eller borehull, hvilket apparat omfatter: en sonde med et langstrakt hus tilpasset for å bli senket ned i, og beveget gjennom, borehullet, nøytronkilde-midler båret av sonden for gjentatt å bestråle borehullet og omgivende grunnformasjon med diskrete svermer av høyenergetiske nøytroner, hvilke nøytroner vekselvirker med kjerner av borehullets og formasjonens materialer for å frembringe tilsvarende gjentatte populasjoner av epitermiske nøytroner i borehullet og omgivende grunn f o rma sjon, minst en detektor båret av sonden for å detektere epitermiske nøytroner og generere signaler som er representative for de detekterte epitermiske nøytronene, midler for å plassere den minst ene detektor tett inntil veggen av borehullet for å minimalisere avstanden eller standoff, mellom detektoren og borehullveggen, midler for å skjerme den minst ene detektor mot nøytroner som faller inn på den fra alle retninger utenom fra formasjonen, for å forbedre følsomheten av detektoren overfor nøytroner som faller inn på den fra formasjonen, og midler koplet til den minst ene detektor for å måle populasjonen av detekterte epitermiske nøytroner i løpet av hver av flere tidsperioder etter de nevnte nøytronsvermer, og for å generere flere tellesignaler som er representative for populasj onene, karakterisert vedsignalprosesserings-midler for å behandle de nevnte flere tellesignaler i samsvar med en forutbestemt relasjon som omfatter en tidskonstant-parameter som representerer des-integras jonstiden for de epitermiske nøytronene i formasjonen, og minst én ytterligere parameter som representerer effekten av detektorens standoff fra borehullsveggen, for å utlede et signal som representerer en standoff-kompensert verdi av den epitermiske desintegrasjonstiden for formasjonen.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at signalprosesserings-midlene ytterligere omfatter midler for å utlede fra de nevnte flere tellesignaler minst ett ytterligere signal som representerer effekten av detektorens standoff fra borehullsveggen på de detekterte epitermiske nøytron-populasj onene.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at det ytterligere omfatter midler koplet til signalprosesserings-midlene for å ta opp signalet som representerer desintegrasjonstiden eller det minst ene ytterligere signal, som en funksjon av dybde inne i borehullet.

4. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at signalprosessings-midlene omfatter midler for å behandle de nevnte flere tellesignaler generelt i henhold til relasjonen N(t) = Nce (-t/A +B/<t...>)+K for å utlede det første signal og det minst ene ytterligere signal, hvor: N(t) er antall epitermiske nøytroner ved tiden t, N0 er antall epitermiske nøytroner ved en starttid To; e er grunntallet i det naturlige logaritme-systemet, A er desintegrasjonstids-konstanten for epitermiske nøytroner i grunnformasjonen, B er en parameter som er indikativ for effekten av detektorens standoff fra borehullsveggen, og K er en funksjon av bakgrunnsstrålingen.

5. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det geometriske sted for emisjon av nøytroner fra nøytronkilde-midlene og det aktive volum av den minst ene epitermiske nøytrondetektor er plassert ved hovedsakelig samme høyde langs loggesonden.

6. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at den minst ene epitermiske nøytron-detektor omfatter et aktivt volum fylt med helium-3 gass, og som er kledt med et materiale.som absorberer termiske nøytroner.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at dimensjonene av det følsomme volumet av den minst ene detektor er av størrelses-orden 6,5 cm eller mindre i sondens lengderetning.

8. Apparat ifølge krav 1 eller 7, karakterisert ved at det ytterligere omfatter flere epitermiske nøytron-detektorer båret av sonden, at alle detektorer er skjermet mot borehullsnøytroner med nevnte skjermende midler, og ved at minst to av detektorene er plassert på avstand fra hverandre langs sondens lengderetning, for å tilveiebringe et utstrakt vertikalt område av formasjonen over hvilket epitermiske nøytroner detekteres.

9. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det ytterligere omfatter: midler for å overvåke produksjonen fra nøytronkilden i løpet av en eller flere svermer, og for å generere signaler som er representative for denne, og midler for å prosessere nøytronkildeproduksjons-signalene for å definere et fast tidsvindu, eller avlesningsvindu, i forhold til nøytronsvermen for nevnte behandling av de flere tellerate-signaler for epitermiske nøytroner, hvilket har til hensikt å kompensere for effekten av enhver variasjon i tidsplasseringen av nøytronsvermen.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at midlene for å overvåke nøytronkilden omfatter en organisk scintillator for å detektere høy-energetiske nøytroner, hvilken scintillator er plassert tett inntil nøytronkilden, for å redusere innfallende stråling av bakover-spredte nøytroner på denne i forhold til innfallende stråling på denne av høy-energetiske nøytroner som stammer direkte fra nøytronkilden.

11. Fremgangsmåte for epitermisk desintegrasjonstids-logging av en grunnformasjon gjennomboret av en brønn, eller et borehull, hvilken fremgangsmåte omfatter: gjentatte ganger å bestråle borehullet og omgivende grunnformasjon med diskrete svermer av høyenergetiske nøytroner, hvilke nøytroner vekselvirker med kjerner i materialene i borehullet og formasjonen for å frembringe tilsvarende gjentatte populasjoner av epitermiske nøytroner i borehullet og omgivende grunnformasjon, å plassere minst en epitermisk nøytron-detektor tett inntil veggen av borehullet for å minimalisere avstanden, eller standoff, mellom detektoren og borehullsveggen, å skjerme den minst ene detektor mot nøytroner som faller inn på den fra alle retninger utenom fra formasjonen, for å forbedre detektorens følsomhet overfor nøytroner som faller inn på den fra formasjonen, og å måle populasjonen av detekterte epitermiske nøytroner i løpet av hver av flere tidsperioder etter de nevnte nøytron-svermer, og generere flere tellesignaler representative for de nevnte populasjonene, karakterisert ved at de nevnte flere tellesignaler behandles i samsvar med en forutbestemt relasjon som omfatter en tidskonstant-parameter som representerer desintegrasjonstiden for epitermiske nøytroner i formasjonen, og minst én ytterligere parameter som representerer effekten av detektorens avstand eller standoff, fra borehullsveggen, for å utlede et signal som representerer en standoff-kompensert verdi av den epitermiske desintegrasjonstiden for formasjonen.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 12'1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter å utlede fra de nevnte flere tellesignaler minst ett ytterligere signal som representerer effekten av detektorens avstand eller standoff, fra borehullsveggen på de detekterte epitermiske nøytron-populasjonene.

13. Framgangsmåte ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at den ytterligere omfatter å ta opp henholdsvis desintegrasjonstids-signalet eller det minst ene ytterligere signal som en funksjon av dybde i borehullet.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at desintegrasjonstids-signalet, og det minst ene ytterligere signal, blir utledet ved å prosessere de nevnte flere tellesignaler generelt i henhold til relasjonen hvor N(t) er antall epitermiske nøytroner ved tiden t, N0 er antall epitermiske nøytroner ved en starttid t0, e er grunntallet i det naturlige logaritme-systemet, A er desintegrasjonstids-konstanten for epitermiske nøytroner i grunnformasjonen, B er en parameter som er indikativ for effekten av detektorens standoff fra borehullsveggen, og K er en funksjon av bakgrunnsstrålingen.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at det geometriske sted for emisjon av nøytroner og det geometriske sted for deteksjon av epitermiske nøytroner er ved hovedsakelig samme dybde i borehullet.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den minst ene epitermiske nøytron-detektor omfatter et aktivt volum fylt med helium-3 gass, og som er kledt med et materiale som absorberer termiske nøytroner.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den ytterligere omfatter å plassere flere epitermiske nøytron-detektorer tett inntil borehullsveggen, og å skjerme alle de nevnte detektorene mot borehullsnøytroner, med minst to av de nevnte detektorene plassert på avstand fra hverandre langs sonden, for å tilveiebringe et utstrakt vertikalt område av formasjonen over hvilket epitermiske nøytroner detekteres.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: å overvåke produksjonen fra nøytronkilden i løpet av en eller flere svermer og generere signaler som er representative for denne, og å prosessere nøytronkilde-produksjonssignalene for å definere et fast tidsvindu, eller avlesningsvindu, i forhold til nøytronsvermen for den nevnte behandling av de nevnte flere tellesignaler for epitermiske nøytroner, hvilket har til hensikt å kompensere for effekten av enhver variasjon i tidsplasseringen av nøytronsvermen.