NORGE (i') [NO] (511in.Cl.' G 01 v 5/12, E 21 B 19/00. DB] a:» UTLEGNINGSSKRIFT au rø STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN («)

Transkript

1 NORGE (i') [NO] STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN DB] a:» UTLEGNINGSSKRIFT au rø (511in.Cl.' G 01 v 5/12, E 21 B 19/00 («) (21) Patentsoknad nr (22) Inngivelsesdag (24) lopedag (62) Avdelt/utskilt Ira soknad nr. (7i)(73) Soker/Patenthaver Baroid Technology, Inc N.Sam Houston, Park May E. Houston, TX 77032, US (86) Internasjonal soknad nr. (86) Internasjonal inngivelsesdag - (85) Videreloringsdag (41) Ålment tilgjengelig tra (44) lltlegningsdag (72) Oopfinner WILLIAM C. PÅSKE, Brazoria County, TX. US. (74) Fullmektig Siv. ing. Arthur Øvrebø, (30) Prioritet begjært , US, nr Bryns Patentkontor A/S, Oslo.,54) Opplinnelsens benevnelse SYSTEM FOR GAMHAFORMASJONSTETT- 1 ' HETSLOGGING UNDER BOR INGEN. (57) Sammendrag System og fremgangsmåte for logging av underjordiske formasjoner for & bestemme formasjonstettheten ved & anvende gammastråling. Gammastrilekilder (42, 43) og detekteringsinnretninger (52, 53) er anbrakt i et hus tilpasset for utsending og detektering av gammastråler som forplanter seg gjennom jordformasjonen og borehullets borefluidum. Gammastråledetektorne (52 og 53) irrnbefatter første og andre gammastrålingssensorer geometrisk anbrakt i huset med samme lengdeavstand fra gammastrålekilden og diametralt motsatt i et felles plan. Et utgangssignal for formasjonsmatrisetettheten ble frembrakt i forhold til utgangssignalet fra hver av gammastrålesensorne og i forbindelse med tilliggende konstanter etablert av den geometriske konfigurasjonen til sensorne relativt i forhold til gammastrålekilden og borehullsdiameteren. Formasjonstettheten blir bestemt uten hensyn til radial posisjon til loggesonden innenfor borehullet ved måling under horingen. (56) Anførte publikasjonar USA (US) patent nr wiwtilne

2 i Foreliggende oppfinnelse angår logging av underjordiske formasjon for å bestemme formasjonstettheten ved å anvende gammastråling og nærmere bestemt å bestemme formasjonstettheten under boringen av et borehull som går gjennom jordformasjonen. Foreliggende oppfinnelse angår nærmere 5 bestemt bestemmelsen av formasjonstettheten unten hensyn til den radiale posisjonen til loggesonden i borehullet eller koluminasjonen til gammastrålingen anvendt for å tilveiebringe tetthetsmålinger. Ved boring av et borehull i formasjoner i jorden er det ønskelig å 10 tilveiebringe informasjon angående arten og strukturen til formasjonen gjennom hvilke borehullet er ført mens boringen fremskrider. Som følge av å kunne forsyne boreoperatøren med informasjon angående karakteristikken til formasjonen under den fremadskridende boringen, er det mulig å tilveiebringe en mer effektiv boring. Slik måling under boring 15 (MWD) logging eliminerer enten delvis eller totalt nødvendigheten for avbrudd av boringsoperasjonen for å fjerne borestrengen fra hullet for å føre kabelen til loggesonden inn i borehullet for å logge karakteristikken til formasjonen langs denne. Muligheten for å logge karakteristikkene til formasjonen gjennom hvilke borekronen passerer, slik som tettheten til 20 formasjonen, øker dessuten i stor grad sikkerheten ved boreoperasjonen. Boreoperatøren kan således bli gjort oppmerksom på entringen av borehullet i formasjoner som sannsynligvis utgjør farlige boreforhold, slik som f.eks. utblåsninger. 25 Et utali forskjellige teknikker har blitt anvendt ved kabellogging av borede borehull for å bestemme formasjonens art gjennom hvilke borehullet er ført. En teknikk for formasjonstetthetslogging har innbefattet gammastråletetthetssonder, som innbefatter en gammastrålekilde og en gammastråledetektor skjermet fra hverandre for å forhindre telling av 30 gammastråling ved detektoren som stråler direkte fra kilden. I løpet av operasjonen av sonden blir gammastråler (fotoner) sendt fra kilden og går inn i formasjonen som skal bli undersøkt. Ved formasjonen samvirker de med atomiske elektroner til materialet i formasjonen ved enten fotoelektrisk absorpsjon, ved Compton-spredning, eller ved parproduksjon. Ved 35 både fotoelektrisk absorpsjon og parproduksjonsfenomen blir de involverte bestemte fotonene ved samvirkningsprosessen fjernet fra gammastrålen.

3 Ved Compton-spredningsprosessen taper den involverte fotonen noe av dens energi mens den endrer dens opprinnelige utbredelsesretning, idet energitapet er en funksjon av sprednirigsvinkelen. Noen av fotonene 5 utsendt fra kilden i formasjonsmaterialet blir følgelig spredt tilbake mot detektoren. Mange spredte stråler når ikke detektoren siden deres retning igjen er endret av en andre Compont-spredning eller.de derfor blir absorbert av den fotoelektriske absorpsjonsprosessen eller parproduksjonsprosessen. De spredte fotonene som når detektoren og samvirker io med den blir talt av det elektroniske telleutstyret forbundet med detektoren. Hovedvanskeligehetene påtruffet ved konvensjonell gammastråletetthetsmåling innbefatter streng definisjon av prøvestørrelsen og begrensede 15 effektive dybder og samplingstider. En hovedvanskelighet innbefatter forstyrrelsesvirkningen av uønsket interfererende materiale lokalisert mellom tetthetssonden og formasjonsprøven, slik som boreslam og borekaks på borehullsveggen som kan kreve at sonden må bli anbrakt direkte mot borehullsveggen. 20 Et utali tidligere kabelgammastrålingsloggesonder har forsøkt å kompensere for virkningen for formasjonstetthetsmålingene frembrakt av tettheten til borekaksen på veggene til borehullet ved å anbringe to detektorer aksialt anbrakt med avstand langs borehullet ved forskjellige 25 avstander fra strålingskilden. Den nærliggende eller med kort avstand anbrakte detektoren er for å motta stråling som er spredt hovedsakelig i materialet nær borehullsveggen og derfor i borekaksen. Den lengre borte eller med lang avstand anordnede detektor er for å motta stråling som har blitt spredt prinsipielt i formasjonen. 30 Tidligere kjente gammaloggesystemer har gjort det nødvendig med kompliserte søyleskjemaer for nøye å kunne definere enten strålen som går ut fra kilden direkte inn i et bestemt område av formasjonen eller strålen mottatt tilbake av detektoren for å sikre at kun strålingstilbake- 35 spredningen fra et bestemt formasjonsområde ble detektert eller begge. Tidligere kjente kabelgammastråleloggesonder har dessuten vært svært følsomme for variasjon i tetthetsmålinger på grunn av tykkelsen på

4 boreslammet så vel som borekaksen på veggene til borehullet gjennom hvilke strålingen må passere og nøyaktigheten ved målingene er således sterkt påvirket av eksentrisiteten til verktøyet i borehullet, Av denne grunn innbefatter tidligere kjente verktøyer arbeidsmekanismer for å 5 presse overflaten av verktøyet tett mot veggen av borehullet på siden av borehullet ved hvilke målepunktet ble utført. Vanskeligheter påtruffet ved tidligere kjente gammastrålelogging ville naturligvis bli ytterligere komplisert dersom tetthetsmåleverktøyet er 10 gjort som en del av borestrengen og opereres under boringen. Den eneste gammastrålingsformasjonstetthetssonden som kan sies & være nyttig under boringen er vist i US-patentsøknad nr Denne søknaden beskriver en teknikk for gamma-gammaformasjonstetthetslogging under boringen som bygger på søyledannelsen av gammastrålingen og et par med 15 aksial avstand anbrakte detektorer langs borehullet fra en annen og fra kilden til strålingen for å undersøke strålingen spredt tilbake fra to forskjellige områder i formasjonen ved forskjellige avstander fra borehullsveggene. 20 En tidligere kjent tetthetssonde som virker uten hensyn til tykkelsen og kjemisk sammensetning av materialene som er lokalisert mellom tetthetssonden og prøven er vist i US-patent nr Denne teknikken innbefatter gjennomslipping av to gammastråler fra to periodisk drevne gråkilder inn i prøven, som mottar strålingen tilbakespredt fra hver av de 25 to kildene ved hjelp av to separate detektorer og bygger produktforhold av fire separate tellehastigheter på en slik måte at det nummeriske resultatet er en indikasjon pa prøvens tetthet. Ved slik anbringelse med avstand i lengderetningen av to detektorsonder, som må bli anbrakt mot borehullsveggen er mellomrommet mellom detektorne en kritisk størrelse. 30 Dersom de interfererende formasjonsmaterialene ikke er jevne over avstander forenbare med avstanden mellom to detektorer, vil den målte tettheten bli feilaktig. Ved gammastrålingsformasjonstetthetssonder, som innbefatter søyledan- 35 neise av gammastråling, er det på forhånd antatt at området med samvirkning mellom strålingen og formasjonen kan bli nøye definert begrenset til et lite område. Ikke bare en nøyaktig søyledannelse av gammastrålingen

5 er vanskelig å tilveiebringe, men antagelsen av at en søyledannet stråle kun samvirker med en nøyaktig definert del av formasjonen som omgir borehullet er feilaktig. Det vil derfor være en fordel å overvinne begrensningene og unøyaktigheten ved tidligere kjente anordninger ved et system for å måle tettheten til underjordiske formasjoner under boring av et borehull som går gjennom formasjonen uten at det er nødvendig å definere et smalt område av samvirkende gammastråling med formasjonen eller anvendelse av strålingssøyledannelse eller nødvendigheten av verktøyanbringelse mot borehullsveggen. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et slikt system ved en ny geometri på gammastrålingskilden og detektoren som muliggjør måling av formasjonsparametre ut fra tilbakespredt gammastråling uten hensyn til eksentrisk anbringelse av verktøyet i borehullet. Målingen er også gjort uten hensyn til noen antagelse med hensyn til et bestemt område for formasjonen fra hvilke strålingene ble tilbakespredt. Foreliggende oppfinnelse angår et system og en fremgangsmåte for å måle formasjonstetthet ved hjelp av tilbakespredt gammastråling i et system for logging under boringen. En utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter apparat for å logge tettheten til en formasjon som omgir borehull som går gjennom formasjonen. Anordningen er tilpasset for bruk ved en borestreng og innbefatter innretning for å sende gammastråling i formasjonen og flere detektorinnretninger for å telle utstrålt gammastråling spredt i formasjonen tilbake til anordningen. Hver av telleinnretningene er anbrakt ved lik aksial avstand langs anordningen fra kilden og hver er anordnet symmetrisk om lengdeaksen til anordningen. Anordningen kan innbefatte første og andre detektorinnretning anbrakt ved symmetriske vinkler på: 180 på diametrisk motsatte sider av anordningen. For å bestemme gjennomsnittstettheten til jordformasjonen som omgir et borehull som går gjennom formasjonen og et tilliggende til måleanordningen, kan gammastråling sendes inn i formasjonen og det kan måles mengden av gammastråling tilbakespredt fra formasjonen ved flere

6 detektorsteder. Detektorstedene er anordnet med lik avstand langs aksen av borehullet relativt i forhold til kilden fra hvilken strålingen ble sendt ut og er lokalisert symmetrisk om lengdeaksen til måleanordningen. 5 Anordning kan innbefatte en langstrakt sonde med en lengdeakse og en kilde med gammastråling anbrakt i sonden. En gammastrålingsdetekte - ringsenhet er monert inne i sonden og innbefatter første og andre gammastrålingsdetektorer og anbrakt med samme avstand i samme retning fra strålingskilden langs sonden i lengderetningen. Hver detektor er 10 anordnet diametralt motsatt en felles sirkel som ligger i et begrepsplan normalt på lengdeaksen. Utgangssignalene fra første og andre detektor tilveiebrakt mens sonden ble dreiet om dens lengdeakse i borehullet ble anvendt for å frembringe et utgangssignal proporsjonalt med matrisetettheten til formasjonen som omgir borehullet i området av sonden. Sonden 15 kan innbefatte en sylindrisk underenhet forbundet som en del av borestrengen i systemet for logging under boringen. Ved formasjonstetthetslogging av borehullsgammastrålingstypen kan en metode innbefatte rotering av en langstrakt sonde i et borehull mens det 20 stråles gammastråling i formasjonen fra et første sted i sonden. Den utsendte gammastrålingen spredt fra formasjonen ble detektert med en sonde og et tredje sted i sonden hvor det andre og tredje stedet er. dimetralt motsatte på motsatte sider av sonden og anbrakt med lik avstand i samme lengderetning fra første stedet. Et utgangssignal ble 25 frembrakt som reaksjon på gammastrålingen detektert ved det andre og tredje stedet som er proporsjonalt med matrisetettheten til formasjonen som omgir borehullet i området av sonden. Det kan også være anordnet en rotasjonsanordning for. bruk ved et 30 borehull som går gjennom jordformasjonen med boreslam av kjent tetthet som fyller borehullet og med en innretning for å sende gammastråling i formasjonen som omgir borehullet. Første og andre gammastrålingsdetekteringsinnretning er anbrakt på en felles sirkel av diametralt motsatte punkter med første og andre innretning anbrakt med samme aksiale 35 avstand i samme aksiale retning fra strålingsinnretningen. Også innbefattet er en innretning for & beregne matrisetettheten som reagerer på utgangssignalene fra detektorene, slamtetthetsverdien, en første verktøy-

7 kalibreringsfaktor forbundet med den første detektoren og som angår avstanden fra den første detektoren til strålingsinnretningen, metallet mellom detektoren og borehullsveggen og virkningsgraden til den første detektoren, en andre verktøykalibreringsfaktor forbundet med den andre 5 detektoren og brakt i forhold med avstanden fra den andre detektoren til strålingsinnretningen, metallet mellom detektoren og borehullsveggen og virkningsgraden av den andre detektoren, og en tredje verktøykalibrering brakt i forhold med forskjellen mellom diameteren til verktøyet og diameteren til borehullet. 10 Oppfinnelsen skal i det påfølgende beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk et sideriss av en borehullsboreoperasjon som 15 viser et system for formasjonstetthetslogging under : horingen konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser delvis et tverrsnitt av en utførelsesform av en underenhet nede i hullet for gammastrålingsformasjonstetthetslogging under 20 boringen konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et snitt langs linjen 3-3 på fig. 2 som viser posisjonen til strålingsdetektorne i anordningen på fig Fig. 4 viser et blokkdiagram av et behandlingssystem for beregning av formasjonsmatrisetettheten i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 viser en kurve som utgjør kalibreringskurven for en strålings- 30 detektor som angår telleverdihastigheten i forhold til formasjonstettheten. Fig. 6 viser en kurve lignende kalibreringskurven, som angår formasjonstettheten målt ved en detektor ved foreliggende system 35 og aktuell formasjonstetthet for forskjellige punkter med avstand mellom sidene av underenheten og veggene til borehullet langs en felles diameter til detektorparene.

8 Fig. 7 viser en kurve som angår verktøystedenes avstand i forhold til stedenes skråning og muliggjør bestemmelse av ve r ktøy konstantene kj og k2-5 Med henvisning til fig. 1 er vist en borerigg 11 anbrakt på toppen av et borehull 12. Et system 10 for samtidig gamma-gammastrålingsformasjonstetthetslogging er båret ay en sonde eller underenhet 14 som utgjør en del av et vektrør 15 og forskjøvet innenfor målingen av tettheten til 10 formasjonen som omgir borehullet mens boreoperasjonen fremskrider. En borekrone 22 er anbrakt ved den nedre enden av borestrengen 18 og skjærer ut borehullet 12 av jordformasjonen 14 mens boreslam 26 blir pumpet fra brønnhodet 28. Metalloverflateforingsrøret 29 er vist anbrakt 15 i borehullet 12 over borekronen 22 for å opprettholde borehullets 12 helhet nær overflaten. Ringrommet 16 mellom borestrengen 18 og borehullsveggen 20 danner en teoretisk lukket returslambane. Slam blir pumpet fra brønnhodet 28 ved hjelp av et pumpesystem 30 gjennom slamtilførselslinjen 31 koplet med borestrengen 18. Boreslam blir på denne 20 måten tvunget ned den sentrale aksepassasjen til borestrengen 18 og går ut ved borekronen 22 for å før borekaks som innbefatter borede deler av jord, stein og lignende oppover fra borekronen til overflaten. En rørledning 32 er tilført brønnhodet for å lede slammet fra borehullet 18 til en slamdam 34. Boreslammet er håndtert og behandlet på vanlig måte 25 ved overflaten av forskjellige anordninger (ikke vist) slik som utkastningsenheter og sirkulasjonstanker for å opprettholde en valgt viskositet og konsistens av slammet. Foreliggende formasjonstetthetsloggesystem av gammastråletypen tillater måling av formasjonstettheter i områdene som omgir borehullet i løpet av pumpingen av borefluidum gjennom bore- 30 strengen og borehullet. Som vist på fig. 1 innbefatter underenheten 14 og vektrøret 15 en del av formasjonstetthetsloggesystemet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse og utstyret nede i hullet. Systemet 10 er konstruert for å generere en rekke 35 med signaler for telemetering til brønnhodet eller et opptegningssystem nede i hullet, idet signalene er indikative for formasjonsmatrisetettheten til jordformasjonene tilliggende borehullet. Den nødvendige telemetri og

9 analysesystemet er av konvensjonell type og således ikke nærmere beskrevet her. Fremgangsmåten og anordningen for å måle formasjons - tettheten er imidlertid beskrevet nærmere nedenfor og utgjør en del av foreliggende oppfinnelse. 5 Med henvisning til fig. 2 er der vist skjematisk et delvis tverrsnitt av en underenhet 14 som bærer et system konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Underenheten 14 innbefatter fortrinnvis et vektrør 15 som er koplet som en del av borestrengen 18, og seiv om den er vist 10 anbrakt umiddelbart over borekronen 22 vil naturligvis underenheten 14 bli anbrakt ved ethvert annet sted i borestrengen. Underenheten 14 er dannet av en seksjon av vektrøret 15 som innbefatter en sylindrisk indre boring 41 for transmisjon av borefluidum under 15 trykk fra overflaten til borekronen 22. Vektrøret 15 har blitt modifisert for å innbefatte et par gammastrålingskilder 42 og 43, som hver innbefatter en gjenget innsats for å bli anbrakt i gjengede åpninger i sideveggene til vektorrøret 15. Gammastrålingskilden 42 og 43 kan være konvensjonelle kilder, slik som cesium 137. Mens systemet ifølge forelig- 20 gende oppfinnelse bevirker adekvat med en kilde, sikrer bruken av to kilder 42 og 43 at strålingsnivået er av en tilstrekkelig amplitude for å frembringe store utgangssignaler fra detektorne. Hver av de to kildene 42 og 43 er fortrinnsvis anbrakt ved en felles aksial posisjon langs aksen av verktøyet 10 og er vist som liggende på en felles diameter 44 som er 25 perpendikulær på den aksiale midtlinjen 46 til vektrøret 15. Vektrøret innbefatter et forstørret sentralt sylindrisk hulrom 61 koaksialt med boringen 41 og som strekker seg delvis i lengden av vektrøret 15. Et par gammastrålingsdetektorer 52 og 53 er anbrakt med en aksial avstand 30 fra kildene 42 og 43 innenfor en detektorpakke og skjermende volframinnsats 62 anbrakt ved den nedre enden av et sentralt hulrom 61. De to detektorne 52 og 53 er begge anbrakt ved samme aksiale avstand fra gammastrålingskildene 42 og 43 og er vist begge liggende ved felles plan 54 som også er perpendikulær på midtlinjen 46 til vektrøret 15. Anbrakt 35 mellom kildene 42 og 43 og detektorne 52 og 53 er en ringforrnet volframskjermende innsats 55 som er dannet som en del av innsatsen 62 og anbrakt i legemet til vektrøret 15 for å minimalisere detekteringen av

10 gammastråling fra kildene som når detektorne ved "strømming" av strålingen aksialt langs vektrøret og boringen 41. Strålingsdetektorne 52 og 53 kan innbefatte enhver konvensjonell gammastrålingsdetekterende innretning, slik som en gruppe med Geiger-Muller rør eller kan bestå av 5 natriumjodidscintillatorer. Med henvisning til fig. 3 er der vist et snitt langs linjen 3-3 på fig. 2 som viser relative posisjoner til gammastrålingsdetektorer 52 og 53 innenfor vektrøret 15. Den venstre detektoren 52 er vist innbefattende 10 en gruppe med tre Geiger-Muller rør 52a-52c mens den høyre detektoren 53 er vist som innbefatter en gruppe med tre Geiger-Muller rør 53a-53c. Et volframskjermelement 56 er også dannet som del av innsatsen 62, og er vist anbrakt mellom venstre dektoren 52 og boringen 41 mens en lignende skjerm 57 er vist anbrakt mellom boringen 41 og den høyre 15 detektoren 53. Skjermelementene 56 og 57 minimaliserer detekteringen av strålingen ved hjelp av detektorne 52 og 53 som ikke sendes ut fra formasjonen. Et betydelig trekk ved den nye geometrien til gamma-gammastrålings- 20 formasjonstetthetsloggesystemet ifølge foreliggende oppfinnelse er at de to detektorne 52 og 53 er anbrakt symmetrisk om lengdeaksen til vektrøret 15 med lik azimutvinkelskille fra hverandre, dvs. 180" på diametralt motsatte sider av vektrøret. De to detektorgruppene 52 og 53 ligger begge ved en felles diameter 58 til en felles sirkel innenfor planet perpendikulært på aksen til vektrøret 15. Begge detektorne er også anbrakt med lik avstand fra strålingskildene 42 og 43. Som også vist på fig. 3 frembringer systemet ifølge foreliggende oppfinnelse nøyaktig måling av formasjonstettheten uten hensyn til eksentrisk posisjon til vektrøret innenfor borehullet 12 på grunn av at avstandene mellom eksentrerte 30 verktøy og borehullsveggen blir automatisk kompensert matematisk så vel som ved gjennomsnittsberegnende virkninger som forekommer når vektøyet blir rotert i løpet av loggeoperasjonen. For å demonstrere betydningen av den enestående geometrien til kom- 35 ponentene ifølge foreliggende oppfinnelse og de matematiske følgene derav, må visse uttrykk bli definert. Den venstre "standoff" avstanden mellom sideveggen til borehullet 12 og vektrøret 15 er stor A målt langs

11 den felles diameteren 58. B er likeledes den høyre "standoff" avstanden mellom siden av vektrøret 15 også målt langs den felles diameteren 58. Avstanden TD langs diameteren 58 er så diameteren til verktøyet. BD er diameteren til borehullet. De to detektorne 52 og 53 er anbrakt på 5 motsatte sider av vektrøret 15 og ved like avstander fra gammastrålingskildene 42 og 43 (eller fra en enkelt kilde dersom kun en er anvendt). Geometrien til selve borehullet kan inkorporeres for å løse ligninger samtidig og bestemme formasjonsmatrisetettheten. 10 Ved å anvende pl for å indikere tettheten målt av detektoren på venstre side av fig. 3 fremkommer at formasjonstettheten er gitt ved følgende: PL = C(l-<l>)pm a + <t) P f](l-oo + ap m (6) eller 15 PL = P'ma( 1 - t ) + 01 Pm» (? ) hvor Pma = formasjonsmatrisetettheten, ø pf = porøsiteten til formasjonen, = fluidumstetthet ved formasjonen, 20 Pm = slamtettheten, a = delen av gammastrålene som samvirker i slammet, og P*ma = (l-^pma + Opf = tilsynelatende formasjonstetthet. Det skal bemerkes at ligningene 6 og 7 ovenfor er begge gyldige for 25 kabellinjeverktøykonfigurasjoner som for gammaformasjonsdetektering ved måling under boring. Dersom pp ble anvendt for å indikere formasjonstettheten målt av detektoren på høyre side av fig. 3, ville også formasjonstettheten bli gitt 30 av følgende ligning: PR = Pma (1-fO + BPm (8) hvor b er delen av gammastrålinger som samvirker i slammet. Det er også 35 kjent at ved geometrien til verktøydiameteren TD og borehulldiameteren BD er brakt til verktøyposisjonen i borehullet ved følgende forhold:

12 I u A + B + TD = BD (9) hvor A er perpendikulær avstand fra venstre verk tøy f late til venstre borehullsflate (venstre "standoff"), og B er "standoff" på høyre side av verktøyet som vist på fig. 3. Det skal bemerkes at sannsynligheten for en foton (gammastråle) som utbreder seg i en avstand A før den har en kollisjon er ganske enkelt Sannsynligheten for å ha en samvirke ved enhver avstand mindre enn A er gitt ved uttrykket Sannsynligheten for å ha en samvirke innenfor avstanden B er likeledes gitt av 10 e~ k 2. Verdiene kj og k2 er geometriske konstanter som skal bli ytterligere spesifisert nedenfor. Dersom det antas at ovenfor forhold gjelder kan følgende skrives: a = 1- e k l A (10) 15 Og P = l-e" k 2 B (11) a. og P er sannsynligheter for at gammastråler vil samvirke i slammet og (1-ot) og (1-p) er sannsynligheter for at fotoner vil samvirke i forma- 20 sjonsmatrisen og ikke i slammet. Dersom ligningene 7 og 10 kombineres fremkommer følgende: PL = Pm + e-ma ( p ' ma - p m ) (12) 25 Geometrien tvinger verktøyet fysikalskt i borehullet slik at vi kan bruke følgende forhold: A = BD-TD - B = K 3 -B (13) 30 slik at vi kan omskrive ligningen 10 for "standoff" B som følgende: PL = Pm + e-kl<*3-b) (p' ma - p m ) (14) 35 Ligning 8 kan også omskrives i uttrykket med "standoff" B som e"k 2 B = ( P R - P m) / ( P ' ma - p m ) (15) følgende:

13 eller ved å heve effekten. kj/k2 kan ligningen 15 omskrives som følgende: e~ k l B = [(pr - P m) / (p' ma - P m )] k l / k 2 (16) 5 Settes nå ligningen 16 inn i ligningen 14 fremkommer følgende: PL = Pm + k 3(p'ma-Pm)[(p'ma-Pm)/(PR-Pm)] k l /k 2(18) 10 som kan bli løst med hensyn til formasjonsmatrisetetthet som følgende: P'ma = Pm + Ce k l k 2 k 3 (p L -Pm) k 2(PR-Pm) k l] 1/k l +k 2(19) Dersom kj=k2 kan det bli vist senere at de kan være like og vi kan skrive k=kj=k2 og ligning 19 blir som følgende: 15 P'ma = CeM k 3Cp L -P m )( P R -P m ) 1 / 2 + P m (20) Basert på disse utledningene kan det prinsipielt bestemmes formasjonstettheten basert på observerte tettheter opptegnet ved venstre og høyre 20 detektor og på tettheten til slammet ved bruk av tidsmålinger. Konstanten k3 blir bestemt direkte fra forskjellen mellom verktøydiameteren og diameteren til borehullet innenfor hvilken den skal bli anvendt. Verktøykonstantene k\ og k2 er bestemt av avstanden mellom detektorer og kilde, tykkelsen på vektrørveggen mellom detektor og ytre overflate til 25 vektrøret og virkningsgraden til detektorene. For tilpassede detektorer og symmetrisk vektrør vil k^ være lik k2«verktøykonstantene kj og k2 blir bestemt i løpet av kalibreringen av verktøyet på en måte lik den ved hvilken konvensjonell kabelverktøy er kalibrert ved en testdam som beskrevet nedenfor. 30 I løpet av kalibreringen anvendes en testdam med flere formasjoner av kjent litologi for å utsette verktøyet for kjente tetthetsbetingelser. Fig. 5 blir preparert som omformer logaritmen fra detektortellehastigheten (i enhver valfri enhet) til en tetthetsindikasjon med verktøyflaten direkte 35 anliggende mot overflaten til formasjonen.

14 Vertøyet blir så anordnet ved en foran valgt verdi for "standoff" avstanden og en rekke med formasjoner av kjent tetthet blir logget for å tilveiebringe en indikasjon på målt tetthet for hver aktuell verdi, som vist på fig. 6. Verktøyet blir så anordnet for en rekke forskjellige 5 "standoff" avstander og prosessen gjentatt for å frembringe en rekke kurver som vist på fig. 6. Logaritmen til hver linjesteilhet til rekken med kurver på fig, 6 blir så opptegnet i forhold til "standoff" avstanden på et halvlogaritmisk papir for å- frembringe en rett linje med negativ steilhet som vist på fig. 7. Steilheten til denne linjen er verktøy konstanten kj 10 eller k2 forbundet med den detektoren. Som vist på fig. 4 blir telleverdien til den venstre detektoren 52 bestemt ved 62 mens telleverdien for den høyre detektoren blir bestemt ved 63 pr. tidsenhet og på konvensjonell måte blir formasjonstetthetsverdien 15 bestemt ved 64 og 65 for venstre og høyre detektoren, henholdsvis. Denne informasjonen blir deretter entret til prosessoren 66 sammen med en målt eller kjent slamtetthet 67 og de målte verktøykalibreringskonstantene kj og k2 fra lageret 68. Prosessoren frembringer deretter en beregnet verdi for formasjonsmatrisetettheten og porøsiteten kan bli 20 utledet i samsvar med standard og praksis innenfor teknikken. Foreliggende teknikk innbærer tre basisantagelser som tillater anvendelse av effektiviteten ved foreliggende verktøys geometri. Det blir for det første antatt at borehullet er relativt tett opptil målingen og ikke 25 innbefatter et stort antall utvaskninger eller uthullinger. I området av borehullet nær borekronen er dette en pålitelig antagelse. Er dette imidlertid ikke tilfelle kan et måleverktøy bli innbefattet i systemet ifølge foreliggende oppfinnelse for å kompensere for variasjoner i borehullsdiameteren. Denne begrensningen er imidlertid ikke så kritisk som ved 30 tetthetsdetektorer av kabelgammastrålingstypen siden foreliggende verktøy ikke forutsier gylidigheten av dens drift på veggkontakt slik som er tilfelle ved de fleste kabeldetektorer. Den andre antagelsen er at slamkaken på veggene til borehullet ikke hadde en sjanse til å danne seg i løpet av loggingen av brønnen. Siden foreliggende verktøy opereres i 35 løpet av målingen under boreoperasjonen ved et punkt nær borekronen er denne antagelsen fornuftig. Den tredje antagelsen er at slamtettheten er kjent eller lett bestembar. Dette er også en god antagelse.

15 Det skal bemerkes at et formasjonstetthetsloggesystem av gammastrålingstypen i samsvar med foreliggende oppfinnelse kan bli konstruert med tre eller flere detektorer i steden for to som vist ved den foretrukne 5 utførelsesformen. Ved ethvert tilfelle må en av detektorne ligge i et plan perpendikulært på aksen til huset og være anbrakt ved asymmetriske like vinkler fra hverandre, dvs. rotasjonsmessig symmetrisk om borehullsaksen. Ligningene for bestemmelse av formasjonsmatrisetettheten er naturligvis betydelig mer komplekse for konstruksjoner med mer enn to 10 grupper, men kan bli løst på samme måte som ved to detektorgrupper beskrevet ovenfor. Det skal bemerkes at foreliggende loggeanordning har blitt vist ved et hus eller sonde som innbefatter et vektrør som danner en del av 15 borestrengen, mens foreliggende oppfinnelse er spesielt nyttig ved logging under boresystemer, kunne den spesielle verktøygeometrien også bli anvendt ved en ikke-mwd sonde av kabeltypen

16 15 16/065 P a t e n t k r a v 1. Formasjonstetthetsloggeanordning av gammastrålingstypen for bruk ved et borehull som går gjennom en jordformas jon, innbefattende et langstrakt hus (14) med en lengdeakse (46), en kilde (42, 43) for gammastråling lokalisert innenfor huset (14), en gammastrålingsdetekteringsenhet innenfor huset (14) Innbefattende flere gammastrålingsdetektorer, idet enheten genererer utgangssignaler fra strålingsdetektorene, k a r a k t e r i s e r t v e d at gammastrålingsdetekteringsenheten innbefatter første og andre strålingsdetektor (52, 53), som hver er følsom for gammastråling resulterende fra Compton-spredning og hvor hver av de førte og andre detektorene er anbrakt med lik avstand fra kilden med gammastråling, og at utgangssignalene fra den første og andre strålingsdetektoren er kombinert for å frembringe et kombinert utgangssignal proporsjonalt med tettheten til formasjonen (24) som omgir borehullet (12). 2. Anordning ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d en anordning (67) for å generere et utgangssignal indikativt for fluidets (26) tetthet i borehullet (12), og ved en signalprosessor (66) som reagerer på signaler indikativ for fluidtettheten og på signaler fra den første og andre detektoren (52, 53) for å frembringe et forsterket utgangssignal proporsjonalt med tettheten til formasjonen som omgir borehullet. 3. Anordning ifølge krav 1-2, k a r a k t e r i s e r t ved at den innbefatter den første og andre detektoren (52, 53) anbrakt ved symmetriske vinkler i størrelsesorden av 180 på diametralt motsatte sider av huset (14).

17 Anordning ifølge krav 1-3, k a r a k t e r i s e r t v e d " at et kombinert utgangssignal er frembrakt som reaksjon på signalet tilveiebrakt fra detektorene (52, 53) mens huset (14) roteres om sin lengdeakse (46) innenfor borehullet (12). 5. Anordning ifølge krav 1-4. k a r a k t e r i s e r t v e d at den innbefatter en strålingsskjerm (55) anbrakt i huset (14) i området mellom strålingskildene (42, 43) og de første og andre detektorene (52, 53) for å begrense strålingsmengden mottatt derved direkte fra kilden. 6. Anordning ifølge krav 1-5, k a r a k t e r i s e r t v e d at strålingsskjermen (56, 57) er anbrakt innenfor huset (14) radialt innover fra hver detektor (52, 53) for å begrense mengden av mottatte strål inger, derved sendt ut fra området med formasjonen på motsatt side av huset (14) fra detektorene (52, 53). 7. Anordning ifølge krav 1-6, k a r a k t e r i s e r t v e d at huset (14) er koplet til borestrengen nær borekronen (22) hvor diameteren til borehullet (12) er relativt konstant. 8. Fremgangsmåte for gammastrålingsformåsjonstetthetslogging for bruk ved borehull som går gjennom en jordformasjon, innbefattende: anbringelse av en langstrakt hus (14) i borehullet (12), utstråling av gammastråling til formasjonen fra et første sted innenfor huset (14), og detektering av gammastråling fra formasjonen ved flere steder innenfor huset (14),

18 k a r a k t e r i s e r t v e d detekterlng av gammastråling fra Compton-sprednlng ved feir ste og andre gammastrålingsdetektor (52, 53) anbrakt med lik avstand fra kilden med gammastråling (42, 43), og ved generering av et kombinert utgangssignal fra signalene fra første og andre strållngsdetektor (52, 53) proporsjonal med tettheten til formasjonen (24) som omgir borehullet (12). 9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, k a r a k t e r i s e r t v e d at det genereres et signal indikativt for tettheten til fluidet (26) i borehullet (12) og at fluidtetthetssignalet kombineres med det kombinerte utgangssignålet for å frembringe et forstørret signal proporsjonalt med tettheten til formasjonen (24) som omgir borehullet (12).

19 FIG. 1 &W FIG. 2

20 BD 15 U FIG. 3 FORMASJONSMATRISE- TETTHET OG/ELLER FORMASJONSPORØSITET

21 AKTUELL MTRIEETETTHET 16/065