MXPA98001274A - Metodo y aparato para medir la densidad de una formacion y el factor fotoelectrico de la formacion mediante un instrumento con varios detectores de rayos gamma-gamma - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere un método e instrumento mejorados para determinar la densidad de una formación usando una serie de detectores de rayos gamma. Este invento puede corregir las considerables separaciones encontradas en pozos de sondeo de forma irregular y, en particular, las mayores separaciones encontradas típicamente por instrumentos tipo mandril. En este invento, los detectores colimados tienen profundidades de investigación variable dentro de la formación. En separaciones pequeñas, un detector de corta distancia (DC) investiga principalmente el lodo y costra de lodo y una capa superficial de la formación. A diferencia del detector DC, un detector de distancia media (DM) tiene una mayor profundidad de investigación y es sensible a pozo de sondeo y a la formación, incluso ante separaciones mayores. Un detector de larga distancia (DL) es sensible principalmente a la densidad de la formación y su lectura de la densidad es corregida usando la información de la separación de los detectores DM y DC. Además de medir la densidad, este invento puede medir el factor fotoeléctrico (FFE) de la formación. Puesto que la absorción fotoeléctrica elimina preferentemente los rayos gamma de energía mínima, el alojamiento del instrumento debe permitir el paso de rayos gamma de energía mínima. Esto se logra mediante el uso de una ventana compuesta de un material con bajo número atómico (Z) o mediante el uso de un material para el alojamiento de bajo Z como el titanio. Los materiales típicos de las ventanas son berilio y titanio. Los materiales del alojamiento pueden ser titanio o, para requisitos de baja presión, grafito o compuestos de carbono de alta resistencia.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA MEDIR LA DENSIDAD DE UNA FORMACIÓN Y EL FACTOR FOTOELÉCTRICO DE LA FORMACIÓN MEDIANTE UN INSTRUMENTO CON VARIOS DETECTORES DE RAYOS GAMMA-GAMMA CAMPO DE LA INVENCIÓN Este invento está relacionado con la determinación de la densidad y la litología de una formación geológica. En particular, está relacionado con la determinación de la -densidad de la formación usando un conjunto de tres detectores que permiten medir las densidades de la formación, inclu so a una amplia distancia entre el aparato y la formación, y que miden el factor fotoeléctrico de la formación.

DATOS DE LA INVENCIÓN Los instrumentos nucleares se han venido usando du rante décadas para determinar la densidad de las formaciones geológicas rocosas que rodean a un pozo de sondeo. Los ins-trumentos de medición de la densidad nuclear dependen de la -dispersión Compton de los rayos gamma en la formación para realizar las mediciones de la densidad. Un instrumento de -medición de la densidad convencional consiste en una fuente -de rayos gamma (o rayos X) , como mínimo un detector de rayos gamma y blindaje entre el detector y la fuente, a fin de de-tectar solamente los rayos gamma dispersados. Durante la -diagrafía de la densidad, los rayos gamma de la fuente del instrumento se desplazan a través del pozo de sondeo al interior de la formación geológica. Los rayos gamma serán dispersados por los electrones existentes en la formación o pozo y algunos de ellos serán dispersados de vuelta al detector en la sonda de diagrafía. Dependiendo del espacio -entre la fuente y el detector, la velocidad de conteo de ra yos gamma detectados aumentará con el aumento de la densidad de la formación (término de dispersión dominante) o disminuí rá con el aumento de la densidad de la formación (efecto ate nuante predominante). En espacios intermedios, tanto los -términos de atenuación como de dispersión repercuten en la -respuesta. En una situación de diagrafía ideal, el pozo de -sondeo tendría una forma uniforme y recta. Este pozo de sondeo uniforme permitiría que un instrumento de medición de la densidad dotado de ua detector estuviera en estrecha proximi dad con la formación que rodea al pozo y la separación del -instrumento sería mínima. Bajo estas condiciones, un detector sería suficiente para realizar la medición de la densidad. No obstante, puesto que los pozos de sondeo normalmente no tienen una forma uniforme y no son rectos, un proble ma importante al realizar la diagrafía de la densidad es el -contacto de la sonda de diagrafía con la pared del pozo de -sondeo. Las sondas de diagrafía de la densidad pueden ser -diseñadas como instrumentos de tipo cojín o mandril. En un mandril, la fuente y detectores se encuentran en el cuerpo -del instrumento cilindrico recto. La longitud rígida de tal disposición dificulta que el instrumento se mantenga en contacto estrecho con el muro de un pozo de sondeo no uniforme. En los instrumentos de tipo cojín, los detectores y, en muchos casos, también la fuente de diagrafía están montados en un cojín corto y articulado que puede desplazarse con respec to al cuerpo del instrumento. Un fuerte brazo descentraliza dor empuja el cojín contra el. muro del pozo de sondeo permitiendo un mejor contacto gracias a la menor longitud del dis positivo. Todas las sondas de diagrafía de la densidad encontrarán una costra de lodo, acumulada en el muro de la for mación, que evita un buen contacto. La medición de la densi dad necesita ser compensada también para este tipo de separa cidn. Debido a las imperfecciones de los instrumentos tipo mandril, éstos se usan tan sólo si no se puede diseñar un instrumento tipo cojín debido a restricciones de tamaño o de costos. La mayoría de instrumentos modernos de medición de la densidad usan un cojín articulado que contiene los detectores y la fuente de rayos gamma. Un brazo de respaldo empuja el cojín contra la formación. La pequeña longitud del cojín y la gran fuerza de descentralización ejercida por el - - brazo de respaldo aseguran un contacto excelente del cojín -con la formación en la mayoría de los casos. Sin embargo, para herramientas con un menor diámetro, la utilización de una construcción tipo cojín se vuelve difícil o imposible. En estos casos, los detectores son colocados en el interior del alojamiento del instrumento (instrumento tipo mandril) . La descentralización es proporciona da por un resorte en arco y/o un dispositivo de calibración con un brazo de respaldo. No obstante, la mayor longitud y rigidez del instrumento producen una aplicación de menor calidad del instrumento al muro del pozo de sondeo y requiere una separación superior a la normal. El diseño básico de un instrumento de dos detectores se muestra en la figura 1. El instrumento 1 consiste en una fuente de rayos gamma 2, un detector de corta distancia (DC) 3 y un detector de larga distancia (DL)4. El instrumen to se encuentra en un pozo de sondeo 5 que es sustancialmente uniforme. Los rayos gamma emitidos por la fuente 2 se in troducen en el pozo de sondeo y la formación 6, donde son dispersados y algunos son detectados seguidamente por los detectores. El detector DC 3 es más sensible a la región cerca na al instrumento 7. El detector DL 4 detecta los rayos gamma 8 de la formación 6 a mayor profundidad que el detector DC y es menos sensible a los efectos de la separación del ins trumento. La densidad aparente derivada de la medición del - - - detector DL puede ser corregida para la separación del instrumento comparando las lecturas de la densidad aparente de los detectores DL y'DC. La corrección para la separación causada por la -acumulación de la costra de lodo o separación del instrumento puede lograrse usando dos detectores con diferentes profundidades de investigación. En este caso, el primer detec tor (DC) tiene poca profundidad de investigación y es más -sensible al fluido del pozo de sondeo o a la costra de lodo entre el instrumento y la formación. Un segundo detector - (DL) a una mayor distancia de la fuente es menos sensible al entorno del pozo y más sensible a la formación. La diferencia entre las lecturas de los dos detectores puede transformarse en una corrección para la separación y la costra de lo-do. Sin embargo, ante mayores separaciones, la compensación de los 2 detectores es a menudo insuficiente o ambigua. Las imprecisiones de la medición con dos detectores residen en el hecho de que la medición de dos detectores se usa para determinar tres incógnitas: La densidad de la for-macidn, la separación (distancia entre el instrumento y el -muro del pozo de sondeo) y la densidad del fluido y/o costra de lodo entre el instrumento y la formación. Ante separaciones pequeñas, las dos últimas incógnitas pueden combinarse en un grosor efectivo (separación de la densidad del lodo) . An-te mayores separaciones, esta aproximación falla y la corree - - cidn se vuelve ambigua. Asimismo, la profundidad de investigación del detector de corta distancia puede volverse más pequeña que la separación. Esto evitará una compensación -apropiada. La situación de una separación de gran tamaño se ilustra en la figura 2. El . instrumento de dos detectores 1 se encuentra en el pozo de sondeo 5. Debido a la forma irre guiar del muro del pozo de sondeo 9 el instrumento es separado del muro por una distancia considerable. La profundi-dad de investigación del detector de corta distancia 3 es -menor que la separación y lograr una compensación efectiva -de la respuesta de la densidad del detector de larga distancia 4 es más difícil y, a veces, imposible. La utilización de un detector adicional situado en tre los detectores DL y DC tradicionales puede ayudar a tratar la ambigüedad de la corrección ante una separación consi^ derable del iasitrumento y algunas de las limitaciones del -instrumento de dos detectores pueden ser superadas. La medi da de tres detectores brinda la capacidad de distinguir el -efecto producido por el grosor del lodo y/o costra de lodo -del efecto producido por la densL?ad del lodo y/o costra de lodo entre el instrumento y la formación. Asimismo, la mejor precisión estadística proporcionada por la medida media -mejorará la velocidad de diagrafía de la sonda. La operación del instrumento de tres detectores se muestra en la figura 3.

- - El instrumento de tres detectores 11 tiene la capacidad de -medir tres profundidades de investigación distintas en la -formación. El instrumento tiene una fuente 12, y detectores de corta distancia (DC) 13, distancia media (DM) 14 y -larga distancia (DL)15. La idea de usar tres detectores para diferenciar -distintas profundidades de investigación fue descrita en la patente de EE.UU. 4,129,777 ( ahl) . En ahl, la idea principal es medir la densidad del material en tres profundida-des distintas del instrumento. Esto puede usarse para deter minar la densidad de la formación a través de la tubería de revestimiento, para determinar el grosor del cemento detrás de la tubería de revestimiento o para determinar la densidad y el grosor de la costra de lodo entre el instrumento y la -formación. En los tres casos la medición se usa también para determinar la densidad de la formación y el grosor y densidad de la capa de material entre el instrumento y la forma cidn. En Wahl, la radiación gamma es emitida desde el -instrumento al interior del medio circundante, y las medicio nes corresponden a la cantidad de radiación que regresa a los detectores como resultado de la interacción de la radiación -emitida con la primera, segunda y tercera, capa respectivamente del medio circundante, cada una de ellas comenzando en el pozo de sondeo y extendiéndose a las profundidades radiales crecientes. Estas mediciones son tomadas por tres detectores localizados a diferentes distancias de la fuente de radiación gamma a fin de tener tres diferentes profundidades de investigación. Una representación del grosor del material sólido se obtiene luego a partir de las tres mediciones de -la radiación gamma. Específicamente, el método propuesto por Wahl es -útil para determinar el grosor del material ligado entre la tubería de revestimiento del pozo de sondeo y la formación -adyacente. En ese caso, las tres medidas de la radiación gamma (superficial, intermedia y profunda) son corregidas pa ra el efecto atenuante del revestimiento. Así pues, se calculan tres densidades a partir de las medidas de radiación -superficial, intermedia y profunda respectivamente. Otra patente que incorpora el concepto de tres detectores es la patente de EE. UU. 5,525,797, Moake. En esta patente, igual que en la Wahl, la fuente de rayos gamma es -separada axialmente del primer, segundo y tercer detector. El primer/cercano detector está separado axialmente de la -fuente de rayos gamma por una distancia definida como una -primera separación. La primera separación y colimación para el primer detector están diseñados de tal manera que los rayos gamma detectados en el primer detector son los rayos -gamma dispersados principalmente por el revestimiento. El segundo o medio detector está separado axialmen- - te a mayor distancia de la fuente de rayos gamma que el primer detector. El segundo detector está separado de la fuente de rayos gamma por una distancia definida como segunda se paracidn. La segunda separación y colimación para el segun-do detector se han diseñado de tal manera que los rayos gamma detectados en el segundo detector serán aquellos dispersados principalmente por el revestimiento y el cemento. Por último, el tercer detector o detector lejano está separado -axialmente a una mayor distancia de la fuente de rayos gamma que el primer y segundo detectores, por una distancia definí da como tercera separación. La tercera separación y colimación definidas por el tercer detector se han diseñado de tal manera que los rayos gamma detectados en el tercer detector son aquéllos dispersados principalmente desde el revestimien-to, cemento y formación. Es este tercer detector el que permite que el instrumento mida la densidad de la formación míen tras el primer y segundo detectores permiten principalmente -que el instrumento compense por el revestimiento y el cemento. No obstante, el segundo detector puede usarse para medir la densidad de la formación en la ausencia de cemento. Preferiblemente, los detectores están protegidos -por un material de alta densidad, entre la fuente y el detec tor, que evita la detección de rayos gamma que simplemente -se desplazan a través del instrumento. Se proporciona un -paso o vacío en el blindaje en forma de canal de colimación que se extiende desde el detector, a través del instrumento, y termina en el exterior de la superficie del instrumento. Los canales de colimación están diseñados específicamente para el esquema de detección de cada detector. Específica-mente el primer detector o detector próximo tendrá una colimación dirigida a un ángulo pequeño con respecto al revestimiento a fin de que el primer detector detecte los rayos gamma dispersados principalmente por el revestimiento. El segundo detector o detector medio contará con una colimación -dirigida a un ángulo más inclinado o perpendicular con respecto al revestimiento porque el segundo detector tiene la -función de detectar rayos gamma dispersados a través de todo el cemento, además el revestimiento (mayor profundidad de in vestigación) . Por último, el tercer detector o detector le-jano contará con un amplio canal de colimación que está diri gido de forma substancialmente perpendicular al revestimiento debido a la distancia a que se encuentra el tercer detector de la fuente. Puesto que los rayos gamma detectados en el detector lejano deben pasar a. través del revestimiento, -cemento, formación, antes de pasar de vuelta a través del ce mentó y revestimiento, la probabilidad estadística de que -ocurra este evento es menor que para el primer y segundo detectores y, por consiguiente, se requiere un canal de colima cidn más ancho para el tercer detector. La densidad de los tres detectores presentada por - - Wahl describe la idea general de usar tres detectores para -medir la densidad en la presencia de un material de grosor -y/o densidad sustanciales entre el instrumento y la formación. La distinción entre la diferente profundidad de inves tigación se logra mediante la diferente separación axial de los detectores. El invento presentado por Moake usa sustancialmente las mismas separaciones de detectores que el invento de -Wahl. La colimación del detector es optimizada para una me-dicidn a través de la tubería de revestimiento. Los detecto res DC (primero) y DL (tercero) usan una colimación muy simi lar a la usada en los tradicionales instrumentos de densidad de dos detectores. La colimación del detector DM (medio) es muy justa y casi perpendicular al muro del pozo de sondeo pa ra obtener una lectura de densidad más profunda en mediciones a través del revestimiento. El pronunciado ángulo de colimación del detector DM reduce su velocidad de conteo y precisión estadística. En una medición de pozo abierto la profundidad de investigación de los detectores DM y DL será muy si-milar y la sensibilidad a la costra de lodo, que tiene una -densidad menor que el revestimiento de acero, será reducida. Esto sigue requiriendo una solución para determinar una compensación de la separación en las sondas de diagrafía que pueda superar estas limitaciones. El invento actual pro-porciona una medida de varios detectores optimizada para si-tuaciones donde un instrumento de medición de la densidad encuentra una separación sustancial de la formación. A pesar -de estar optimizado para la diagrafía de pozos abiertos el -instrumento puede usarse asimismo en la diagrafía de pozos -cerrados. A fin de alcanzar esta meta, el instrumento usa un juego de colimadores optimizados para los detectores de distancia corta, media y larga. En particular, la colimación -del detector medio es diferente de las colimaciones de los -detectores de corta o larga distancia. Esto proporciona la profundidad de investigación correcta para el detector medio, es decir, una profundidad de investigación intermedia entre los detectores de corta y larga distancia. Además, este ti-por de colimación es muy adecuada para realizar una medición de densidad de alta precisión y para realizar una medición -optimizada del efecto fotoeléctrico. Además de medir la densidad, la mayoría de los modernos instrumentos de densidad nuclear también miden el fac tor fotoeléctrico (FFE) de la formación. Esta medida depende de la absorción de rayos gamma de energía mínima a través del efecto fotoeléctrico en la formación. Puesto que el efecto fotoeléctrico depende vastamente del número atómico -de los elementos de la formación, proporcionará una indicación de la litología de la formación. Debido a que la absor ción fotoeléctrica elimina preferentemente los rayos gamma -de energía mínima, el alojamiento del instrumento debe permi tir el paso de los rayos gamma de energía mínima a los detec tores en el interior del alojamiento. Este objetivo puede -lograrse usando una ventana compuesta de un material con un número atómico (Z) bajo en el alojamiento o usando un material de Z bajo en el alojamiento, tal como el titanio. Los materiales típicos de la ventana son berilio y titanio. Los materiales del alojamiento pueden ser titanio o, para requisitos de baja presión, grafito o compuestos de carbono de -gran resistencia.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN El objetivo de este invento es proporcionar un medio optimizado para realizar una medición de densidad de al-ta calidad en la presencia de una separación considerable -del instrumento. Otro objetivo de este invento es proporcionar una sonda de diagrafía más delgada (mandril) con una calidad de medición que sea, como mínimo, tan buena como la de los tra dicionales instrumentos tipo cojín con dos detectores. Otro objetivo de este invento es proporcionar un -medio mejorado para detectar el efecto fotoeléctrico de una formación geológica. Otro objetivo de este instrumento es proporcionar una medida fotoeléctrica de dos o tres detectores compensada - - para la separación. Este invento es un método e instrumento mejorados para determinar la densidad de la formación usando una serie de detectores de rayos gamma. Este instrumento cuenta con -corrección mejorada de la separación, mejor precisión y medición significativamente mejorada para el efecto fotoeléctrico. Asimismo, este instrumento cuenta con un diámetro me ñor que el de las sondas de diagrafía convencionales. Este invento puede corregir separaciones considerables ensontra-das en pozos de sondeo de forma anormal y en particular las separaciones de gran tamaño encontrados típicamente por los instrumentos tipo mandril. Durante la operación, tres o más detectores colimados detectan los rayos gamma emitidos por -la fuente del instrumento. De acuerdo con el diseño del ins_ truniento, los detectores tienen diferentes profundidades de investigación en la formación. En separaciones pequeñas el detector DC investiga principalmente el lodo y la costra de lodo y la capa superficial de la formación. A medida que la separación aumenta, la señal del detector DC ya no es sensi-ble a la formación o al lodo o costra de lodo que se encuentra en estrecha proximidad con la formación. El detector DM tiene una mayor profundidad de investigación y es sensible -al pozo de sondeo y formación incluso ante mayores separacio nes del instrumento. El detector de larga distancia (DL) es sensible principalmente a la densidad de la formación. La - - - lectura de la densidad de DL se corrige usando la información de los detectores DM y DC para proporcionar una lectura de -densidad más acertada. Este invento también es un método mejorado para de-terminar el factor fotoeléctrico (FFE) de la formación. La utilización de un conjunto de tres detectores en un alojamien to de titanio proporciona una respuesta FFE de alta calidad, más precisa y acertada que la de los instrumentos tradicionales de dos detectores, a pesar de que el diámetro reducido -del instrumento no permite usar ventanas con Z bajo para los rayos gamma de energía mínima.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1 es un diagrama de una sonda de diagrafía que detecta rayos gamma usando dos detectores. La FIGURA 2 es un diagrama de una sonda de diagrafía de dos detectores en el caso de una separación de gran -tamaño causada por la forma irregular del pozo de sondeo. La FIGURA 3 es una vista de la detección mediante tres detectores de rayos gamma dispersados en el pozo de sondeo y la formación. La FIGURA 4 es una vista esquemática del instrumento de medición de la densidad implementado en el invento ac-tual.

- - La FIGURA 5 es un diagrama de- la detección de señales usando el invento actual en un pozo de sondeo irregular. La FIGURA 6 es un diagrama de la colimación del detector en una sonda de diagrafía que implementa el invento -actual. La FIGURA 7 es un diagrama de la sección del detector de una sonda de diagrafía implementada en el invento actual. La FIGURA 8a es una vista transversal de la colímación del detector de corta distancia. La FIGURA 8b es una vista transversal de la colimación de un posible detector medio» La FIGURA 8c muestra una colimación del detector me dio alternativo. La FIGURA 8d es una vista transversal de una colimación con un posible detector lejano. La FIGURA 8e muestra una colimación del detector le jano alternativo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La disposición básica del instrumento se muestra en la Figura 4. El instrumento consiste en dos secciones: una -sección con una sonda 20 con los detectores 13, 14 y 15 y una sección con la fuente de rayos gamma 12 y electrónica 21 con -los amplificadores nucleares, convertidores analógicos digitales y circuitos auxiliares para la operación del instruraen to. A pesar de que la figura muestra un instrumento tipo -mandril, el diseño de la. sonda puede ser implementado en un instrumento tipo cojín. La Figura 5 muestra la implementación del invento actual en un pozo de sondeo donde existe una gran separación desde el muro del pozo. Debido a la forma del muro del pozo 9 ocurre una separación considerable 23 entre el instrumento 11 y el muro de sondeo 9. Para superar esta separación, algunos detectores deben tener profundidades de investigación superiores a la separación del instrumento. Los detectores 14 y 15 tienen profundidades de investigación, 25 y 26 respectivamente, que se extienden al interior de la formación 6 y permiten la medición de la formación. La Figura 6 muestra el invento actual en un pozo de sondeo irregular con los detectores colimados. La colima cidn de la fuente de rayos gamma y de los detectores es opti mizada para asegurar que todos los detectores tengan una pro fundidad de investigación diferente a fin de mejorar la compensación de la separación. Asimismo, la colimación asegura que el instrumento sea sensible principalmente a los rayos -gamma dispersados en la formación o región entre el instrumento y la formacidn, aceptando solamente los rayos gamma in cidentes desde una dirección en particular. La fuente de ra - yos gamma también es colimada, para provocar que los rayos -gamma sean emitidos preferiblemente dentro de la formación y para reducir el número de rayos gamma que se desplazan en el pozo de sondeo. Como se muestra, el ángulo de colimación 30 para el detector de corta distancia 13 detecta los rayos gamma en el pozo de sondeo y en profundidades superficiales de la formación. El ángulo de colimación 31 para el detector -medio 14 capta los rayos gamma que se desplazan a través de la formación, además de los rayos gamma que se desplazan por el pozo de sondeo. El ángulo de colimación 32 para el detec tor de larga distancia 15 capta los rayos gamma que se desplazan a través de la formación a profundidades sustanciales, además de algunos rayos gamma procedentes del pozo de sondeo. La Figura 7 muestra una sección transversal esque-mática a través de la porción de la sonda. La sección contiene la fuente de rayos gamma 12 y tres (3) detectores de -rayos gamma 13, 14 y 15 para detectar los rayos gamma disper sos. La fuente de rayos gamma puede tratarse de una fuente química tradicional ( Cs, Co, u otro radionucleído) o -una fuente electrónica (.tubo de rayos X, betatrón u otro dis positivo generador de rayos X) . Los detectores de rayos gamma pueden tratarse de detectores de escintilacidn (Nal, GSO u otros materiales centelleantes) acoplados a fotomultiplica dores u otros dispositivos de amplificación. Para algunas -aplicaciones, puede ser preferible utilizar detectores semi- - - conductores u otros dispositivos de detección. En el inven- 137 to actual, la fuente de rayos gamma preferida es Cs y la detección de rayos gamma es realizada preferiblemente por de tectores de escintilación Nal y GSO. La colimación de la fuente de rayos gamma y detectores es optimizada para asegurar que todos los detectores cuenten con una profundidad de investigación diferente a fin de mejorar la compensación de la separación. En este invento, la separación real de los detecto res, y en particular la separación de las ranuras de colimación de la fuente, influirán en la profundidad de investigación de los rayos gamma detectados por cada detector. El de tector de corta distancia 13 tiene una separación de entre 4 pulgadas (10,16 centímetros) y 7 pulgadas (17,78 centímetros) de la fuente 12. El detector medio 14 tiene una separación de aproximadamente 7 pulgadas (17,78 centímetros) y 12 pulga das (30,48 centímetros) de la fuente. El detector de larga distancia 15 tiene una separación de aproximadamente 12 pulgadas (30,48 centímetros) y 18 pulgadas (45,72 centímetros) de la fuente. Esta separación se refiere a la distancia ver tical entre el centro de la fuente y el centro del detector. Se recomienda que el ángulo de colimación 30a para el detector de corta distancia sea de 30° a 60°. El ángulo de colimación delantero del detector de distancia media 31a debe ser de 35° a 90°. El ángulo de colimación delantero del detector de larga distancia 32a, mostrado en la Figura 7, está entre 45° y 90°. Remitiéndonos a la Figura 8a, la apertura del -colimador del detector de corta distancia 40 se trata generalmente de un orificio cilindrico o elíptico subteniendo -un ángulo entre +5° y +20°. Como se muestra en la Figura 8b, la apertura azimutal de la distancia media 41 oscila entre +10° y +35". La Figura 8c muestra una apertura alternativa 42 del detector de distancia media. La apertura del colimador de larga distancia 43 mostrada en la Figura 8d es-tá entre +20° y +50°. La Figura 8e muestra una apertura -alternativa 44 del detector de larga distancia 15. Los ángu los azimutales del colimador son de distancia corta • media < larga. El objetivo de proporcionar un medio mejorado de -detección del efecto fotoeléctrico de una formacidn geológica se ve afectado también por la colimación del detector. Este objetivo se logra como se muestra en la Figura 7. La -fuente de rayos gamma 12 está protegida y colimada por un co limador 33 para obtener una emisión de rayos gamma preferen-te hacia la formacidn. Delante de la fuente se sitúa una -ventana 34 de material de baja densidad a fin de elevar al -máximo el número de rayos gamma primarios emitido al interior de la formacidn. La fuente es colimada también de tal manera que los rayos gamma son emitidos en un ángulo que mejora la capacidad de dispersarlos hacia los detectores a través de una apertura en el lado del colimador de la fuente 35. La fuente también está protegida de tal manera que se reduce al mínimo el número de rayos gamma emitidos por la fuente hacia el interior del pozo de sondeo. Esto se logra mediante un -blindaje cilindrico alrededor de la fuente y un blindaje -grueso 36 detrás de la fuente. En la Figura 7 el detector de corta distancia se -ha diseñado para que sea sensible a la separación del instru mentó, reduciendo al mínimo la apertura azimutal del detec-tor, tal como se observa en la ilustración 40, en la Figura 8, y orientando la colimación 30a en ángulo dirigido hacia -la fuente. El detector de distancia media 14 es colimado pa ra mejorar la sensibilidad de la formacidn al mismo tiempo -que permanece sensible a la región de separación entre el -instrumento y la formacidn. La optimacidn de la colimación del detector de distancia media también puede mejorar la res puesta del detector ante el efecto fotoeléctrico. La colima ción del detector de larga distancia 15 lleva a una mayor -profundidad de investigación. Asimismo, al abrir la colima-cidn del detector de larga distancia azimutalmente, se aumen tan las velocidades de conteo al mismo tiempo que se mantiene pequeña la señal del pozo de sondeo. Los detectores pueden ser escintiladores Nal o, preferiblemente, escintiladores GSO u otros materiales de escintilación densos y rápidos. El detector de corta distan - - ci preferido es un detector GSO. La utilización de GSO per mite la mejor protección y colimación en un instrumento pequeño y su alta velocidad de conteo le convierte en el instrumento perfecto para las altas velocidades de conteo encon tradas en el detector de corta distancia. La utilización de detectores integrales muy compactos reduce la longitud del -detector y permite una separación estrecha. Los alojamientos del detector se componen de un material magnético de alta -permeabilidad que proporciona protección contra los campos -magnéticos. Una ventana en el alojamiento del detector redu ce al mínimo la atenuación de los rayos gamma que entran a -través de la colimación delante del detector. El material -de protección y colimación se trata generalmente de un material denso con un alto número atómico (es decir, tungsteno, plomo o uranio) . Los rayos gamma desplazándose hacia el detector pueden provocar la emisión de rayos X por parte del -material de protección, que puede ser detectada por el detec tor. Los rayos X deterioran la respuesta al efecto fotoeléc trico. Son suprimidos protegiendo la parte posterior del de tector mediante una capa de 0,5 a 2 mm de material de Z intermedio (Z=30 a 60) que absorbe los rayos X no deseados y al mismo tiempo no emite rayos X en la gama de energías usadas para la medición. El blindaje puede insertarse entre -los detectores para evitar que los rayos gamma que entran a través de la apertura del colimador se desplacen al siguiente detector después de dispersarse en el primero. Los algoritmos para la densidad y FFE pueden ser -del tipo "columna y costilla" tal como se describen en las -patentes de Case y Ellis. Otros algoritmos pueden ser mode-los progresivos y de inversión o la utilización de regresión lineal múltiple ponderada. La colimación de los detectores de distancia media y larga hace que el instrumento sea idóneo para una medición compensada del efecto fotoeléctrico - (bajo evaluación) ante la presencia de lodos que contienen -materiales con un alto número atómico y que, por lo tanto, -exhiben un amplio efecto fotoeléctrico. El aparato y método de este invento proporciona -ventajas significativas en comparación con los dispositivos actuales. Este invento ha sido descrito en conexión con la representación física preferida. No obstante, no está limitado a ello. Pueden hacerse cambios, variaciones y modificaciones en el diseño básico sin desviarse de los conceptos de inventiva en este invento. Asimismo, estos cambios, variaciones y modificaciones serán evidentes para los expertos en el diseño que contarán con la ventaja de las descripciones precedentes. Ta.les cambios, variaciones y modificaciones deben atenerse a los términos del invento que está limitado solamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato para determinar las características de una formación geológica alrededor de un pozo de sondeo y que comprende: (a) una fuente para irradiar tal formacidn -geológica con rayos gamma; (b) detectores de distancia cor ta, media y larga localizados en dicho aparato, respectivamente, a distancias fijas, sucesivamente mayores, de dicha -fuente de rayos gamma, y siendo dichos detectores capaces de generar señales indicadoras de la- energía de la radiación ga mma detectada por cada uno de los detectores; Ce) un aloja miento que contiene dicha fuente de radiación gamma y detectores, y siendo dicha fuente capaz de conservar sus propieda des mecánicas en entornos hostiles en un pozo de sondeo? Cd) un medio para calcular la densidad de la formacidn a partir de las señales de dicho detector; y (e) un medio para cal^ cular el factor fotoeléctrico de dicha formacidn geológica a partir de las señales de dicho detector.

2. El aparato de la reivindicacidn 1, donde cada uno de dichos primer, segundo y tercer detectores son colima dos exclusivamente de tal manera que cada detector detecta -los rayos gamma desde diferentes rangos de profundidad.

3. El aparato de la reivindicacidn 1, donde dichos detectores de distancia corta, media y larga tienen di-ferentes profundidades de investigación en el interior de la - - formacidn, y donde dichas profundidades de investigación aumentan con la distancia del detector de dicha fuente de rayos gamma. 4, El aparato de la reivindicación 1, que compren de, además, un blindaje entre la fuente y los detectores para evitar que los rayos gamma se desplacen directamente de -la fuente a los detectores y un blindaje alrededor de partes de dichos detectores para protegerlos contra la radiación ga mma dispersada en el pozo de sondeo. 5. El aparato de la reivindicación 2, donde dicha fuente de radiación gamma está colimada de manera que la radiación gamma emitida por dicha fuente dentro de dicha forma cidn está dirigida preferentemente al interior de la formacidn en un ángulo tal que mejora la dispersión hacia los de-tectores en el instrumento. 6. Un método para determinar las características de una formación geológica alrededor de un pozo de sondeo -que comprende los siguientes pasos: (a) colimación de una fuente de radiación y detectores de distancia corta, media -y larga, de tal forma que la radiación emitida por dicha fuen te al interior de dicha formacidn sea dirigida preferiblemente al interior de la formacidn y en un ángulo que mejore la dispersión hacia los detectores de radiación colocados en -dicho pozo de sondeo a distancias progresivamente mayores -de dicha fuente de radiación. (b) irradiación de dicha for - 6 - macidn con rayos gamma procedentes de dicha fuente de radiación; (c) generación de un espectro de rayos gamma a partir de los rayos gamma detectados en cada uno de dichos detectores; (d) cálculo de una densidad aparente a partir -del espectro en cada detector; y (e) medición de un efec to fotoeléctrico a partir del espectro de cada detector. 7. El método de la reivindicación 6, que compren de, asimismo, el paso de calcular la distancia de la separa ción entre un aparato que contiene dichos detectores y la -fuente y el muro de tal pozo de sondeo a partir del espectro de los tres detectores. 8. El método de la reivindicación 7, que compren de, asimismo, el paso de compensar dicho efecto fotoeléctri co para dar cuenta de la separación de dicho aparato. 9. El método de la reivindicacidn 7, donde la -densidad de dicha formacidn, separación y efecto fotoeléctri co de la formacidn son calculados a partir de un modelo progresivo de la densidad, separación y efecto fotoeléctrico e inversión subsecuente del modelo progresivo. 10. El método de la reivindicacidn 6, que compren de, asimismo, antes del paso (e) , el paso de optimizar la co limación del detector de distancia media para mejorar la res puesta del detector de distancia media ante el efecto fotoeléctrico de la formación. - RESUMEN DE LA INVENCIÓN El presente invento se trata de un método e instru mentó mejorados para determinar la densidad de una formación usando una serie de detectores de rayos gamma. Este invento puede corregir las considerables separaciones encontradas en pozos de sondeo de forma irregular y, en particular, las mayores separaciones encontradas típicamente por instrumentos tipo mandril. En este invento, los detectores colimados tie nen profundidades de investigación variables dentro de la -formacidn. En separaciones pequeñas, un detector de corta -distancia (DC) investiga principalmente el lodo y costra de lodo y una capa superficial de la formacidn. A diferencia -del detector DC, un detector de distancia media (DM) tiene -una mayor profundidad de investigación y es sensible al pozo de sondeo y a la formacidn, incluso ante separaciones mayores. Un detector de larga distancia (.DL) es sensible princi pálmente a la densidad de la formacidn y su lectura de la -densidad es corregida usando la información de la separación de los detectores DM y DC. Además de medir la densidad, este invento puede medir el factor fotoeléctrico (FFE) de la -formacidn. Puesto que la absorción fotoeléctrica elimina preferentemente los rayos gamma de energía mínima, el alojamiento del instrumento debe permitir el paso de rayos gamma de energía mínima. Esto se logra mediante el uso de una ven - tana compuesta de un material con bajo número atómico CZ) o mediante el uso de un material para el alojamiento de bajo Z como el titanio. Los materiales típicos de las ventanas son berilio y titanio. Los materiales del alojamiento pueden ser titanio o, para requisitos de baja presión, grafito o compuestos de carbono de alta resistencia.