NO156226B - Fremgangsmaate og apparat for spektroskopisk analyse. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt nukleær bore-hullslogging, og angår mer spesielt forbedrede fremgangsmåter og apparater for spektroskopisk analyse av energispektre for gammastråler fra uelastisk spredning for å tilveiebringe mer nøyaktig informasjon om sammensetningen av grunnformasjoner som omgir borehull.

Hittil er det blitt anvendt forskjellige teknikker for å behandle energispektre for gammastråler for analyse av bore-hullsbestanddeler. I tilfelle med energispektre for gammastråler fra uelastisk spredning, er det kjent at analyse av spektrene for å identifisere bidragene til disse som skyldes karbon og oksygen, tilveiebringer nyttig informasjon om forekomsten av olje i formasjonen. Ytterligere informasjon ved-rørende sammensetningen av formasjonen, slik som dens litologi f.eks., er imidlertid ofte nødvendig før en utvetydig bestemmelse av forekomsten av olje kan foretas. En passende indikator på litologien for dette formålet kan omfatte forholdet mellom bidragene fra kalsium og silisium til gammastrålene fra uelastisk spredning.

Utledningen av den foregående informasjon vedrørende karbon, oksygen, kalsium og silisium, og muligens andre bestanddeler av formasjonen og borehullet, avhenger av nøyaktig bestanddelsanalyse av formasjonens gammastrålespektre. En viktig og grunnleggende teknikk for å utføre slik analyse er beskrevet i US-patent nr. 3.521.064. I henhold til dette patent blir et detektert energispektrum for gammastråler fra en formasjon med ukjent sammensetning sammenlignet med et sammensatt spektrum laget av veide standardspektre for de bestanddelene som formasjonen antas å omfatte. De veiekoeffisientene for standardspektrene som gir den beste tilpasning av det sammensatte spektrum til det ukjente spektrum, som f.eks. bestemt med de minste kvadraters metode, representerer de relative forhold mellom bestanddelene i formasjonen. Ved passende utvelgelse og veiing av standardspektrene, kan andelene av de bestand-

deler som er av interesse, slik som karbon, oksygen, kalsium, silisium, o.s.v., oppnås, og den ønskede informasjon vedrørende oljeinnhold kan utledes fra dette.

Selv om den teknikk som er beskrevet i ovennevnte US-

patent nr. 3.521.064 kan brukes til samme formål som den

foreliggende oppfinnelse, og i dette henseende tilveiebringer betydelige fordeler i forhold til andre tidligere kjente teknikker, vedrører foreliggende oppfinnelse fremgangsmåter og apparater som tilveiebringer ytterligere bedre resultater, spesielt i forbindelse med analysen av gammastrålespektre fra uelastisk spredning.

For å oppnå statistisk nøyaktige spektre for gammastråler fra uelastisk spredning, er det ønskelig å bestråle formasjonen med utbrudd av neutroner med så høy repitisjonshastighet som er praktisk mulig slik at deres tidsadskillelse er på et mini-mum. Neutronutbrudd med lite mellomrom har imidlertid den ulempe at gammastråler som stammer hovedsakelig fra termisk neutroninnfangnings-reaksjoner mellom formasjonsbestanddeler og neutroner fra et eller flere foregående utbrudd, vil være til stede som forstyrrende bakgrunnsstøy under deteksjonsperioden av gammastråler fra uelastisk spredning..

Nevnte patent antyder at innfangnings-gammastråle-komponenten i spektre for gammastråler fra uelastisk spredning, kan tas hensyn til ved på forhånd å bestemme et separat "bakgrunns"-spektrum som er representativt for gjenværende innfangnings-gammastråling fra tidligere utbrudd. Denne "bakgrunnen" ville så være innbefattet som en standard i det sammensatte spektret. Ifølge nevnte patent er det standard bakgrunnsspektret tatt på forhånd i et referanseborehull eller en test-grop. Dette avspeiler imidlertid ikke nødvendigvis det virke-lige innfangnings-gammastrålespektrum på stedet, som varierer med forandringer i neutronkildestyrken, sondeomgivelsene, sonde-ytelse o.s.v., og kan således føre til unøyaktigheter i bestand-delsandelene som oppnås fra prosessen med sammenligning av spektre.

Som det fremgår av US-patent nr. 3.780.303 er det også

blitt foreslått tidligere å detektere nivået for bakgrunns-gammastrålingen i et tidsintervall umiddelbart før hvert neutronutbrudd, og så subtrahere det nivået fra gammastråle-tellinger fra uelastisk spredning som oppnås i løpet av utbruddet.

Tellingen av bakgrunnsstrålingen i sistnevnte patent avspeiler imidlertid bare en tilnærmelse av det totale bakgrunns-nivå som hersker under det påfølgende neutronutbrudd (idet det antas at deteksjonsperioden for bakgrunnsstrålingen følger tett etter utbruddet og at perioden for deteksjon av uelastisk spredning er kort i forhold til tidskonstanten for termisk neutrondesintegrasjon i formasjonen). En slik telleverdi gir ingen informasjon om innfangnings - gammastrålespektret og kom-penserer defor ikke nøyaktig det uelastiske gammastrålespektret for påvirkningen av gjenværende innfangnings-gammastråling fra tidligere neutronutbrudd.

I en US-patentsøknad nr. 040.320, inngitt 18. mai 1979,

er det videre foreslått at et energispektrum hvor bakgrunnsstrålingen kan genereres fra gammastråler som er detektert i løpet av perioder mellom neutronutbruddene og anvendes til å frembringe et eller flere standard bakgrunnsspektre for bruk i analysen av spektre for gammastråler fra uelastisk spredning i samsvar med det forannevnte US-patent nr. 3.521.064. Standard bakgrunnsspektrene blir så oppdatert gjentatte ganger for å avspeile den aktuelle bakgrunnskomponenten i det detekterte spektrum for gammastråler fra uelastisk spredning. Spektret for gammastråler fra uelastisk spredning blir deretter analysert ved å sammenligne det med et sammensatt spektrum, satt sammen av standard spekre av bestanddeler som antas å være til stede i formasjonen, bakgrunnsspektre inkludert, for å bestemme andelene i formasjonen av de antatte bestanddeler.

Endelig har det i US-patent nr. 4.232.220 blitt foreslått

at virkningen av bakgrunnsstrålingen i et borehull som undersøkes, på målingen av den uelastiske gammastråling, kan tas hensyn til på en måte som er i det vesentlige uavhengig av tidskonstanten for termisk neutroninnfangning for den formasjonen som under-søkes, ved å ta i betraktning variasjoner i gammastråle-bakgrunnsspekret som skyldes termisk neutroninnfangning, hvilke forandringer kommer fra forandringer i omgivelsesparametre i borehullet. Et energispektrum for bakgrunns-gammastråling blir akkumulert i løpet av et tidsintervall som følger umiddelbart etter det tidsintervallet hvor uelastiske vekselvirkninger blir målt. Målinger i løpet av dette bakgrunnsintervallet avspeiler mer nøyaktig den termiske bakgrunnspopulasjon som resulterer fra gjenværende termiske neutroner som er generert under tidligere neutronpulser med høy energi og fra termiske innfangnings-neutroner som er generert et kort tidsrom, i forhold til tids-

konstanten for neutroninnfangning i formasjonen, og kan derfor betraktes som representative for borehullsomgivelsene i nærheten av detektoren. Gjennom et enkelt subtraksjonstrinn blir bakgrunns-informasjonen fjernet fra målingen som er oppnådd under det uelastiske port-tidsintervallet som er fastsatt for å omfatte neutronutbruddet, for derved å fremheve de uelastiske gammastråle-målingene som utledes under den uelastiske porten.

Det er blitt oppdaget at en ytterligere betydelig forbedring kan foretas i den spektroskopiske analyse av gammastrålespektre fra uelastisk spredning ved ytterligere å forbedre den måte bakgrunnsenergispektre blir behandlet på. Spesielt har man innsett at det er viktig å normalisere det detekterte bakgrunnsspekteret korrekt, og at det detekterte bakgrunnsspekteret bør reguleres med hensyn til sin energi i forhold til kanalkalibrering før det blir subtrahert, slik at bakgrunnsspekteret ligger tett opp til bakgrunnsdelen av det målte totale uelastiske energispekteret.

Nærmere angivelser av fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen, samt de nye og særegne trekk ved disse, er opptatt i patentkravene. Det foretrekkes å benytte en iterativ teknikk, hvor forskyvningen av bakgrunnsspekteret blir variert inntil en parameter som betegner godheten av tilpasningen, er optimalisert. Videre blir størrelsen av bakgrunnsspekteret normalisert med forholdet mellom antall bakgrunnstellinger i det totale energispekteret og antall tellinger i bakgrunnsspekteret.

Under utførelse av denne normaliseringen blir noen av de elementer som bidrar til bakgrunnsstrålingen identifisert, og en eller flere av deres elementestimatorer blir valgt. De valgte estimatorer blir så tilført enten hver for seg eller i kombinasjon til det totale uelastiske spekteret og bakgrunnsspekteret for å utlede et tall som indikerer bakgrunnsstrålingen i det totale energispekteret og i det bakgrunnsspekteret som ovennevnte forhold ble utledet fra. Deretter blir bakgrunnsspekteret normalisert ved hjelp av forholdet og så subtrahert fra det totale uelastiske spekteret for å bestemme et netto uelastisk spektrum. Nettospekteret blir så sammenlignet med et sammensatt spektrum, satt sammen av en rekke av standardelementspektre kombinert i en lineær kombinasjon ifølge veieverdier som er bestemt av kombinasjonen av det uelastiske nettospektrum med de riktige elementestimatorer for å generere en verdi som indikerer godheten av tilpasningen mellom de to sammenlignede spektre. I det tilfelle at godheten av tilpasningen ikke er tilfredsstillende, blir den iterative prosessen gjentatt inntil godheten av tilpasningen er akseptabel. Straks disse kan aksepteres blir element-vekttallene matet ut og registrert på en dybdelogg som indikerer de prosentvise bidragene fra elementbestanddelene.

Foreliggende oppfinnelse vil bli lettere forstått og dens mange formål og fordeler vil bli tydeligere for fagfolk på området ved gjennomlesning av den følgende detaljerte beskrivelse under henvisning til de vedføyde tegninger, der:

Fig. 1 er en skjematisk skisse av en utførelsesform av

et loggeapparat som er konstruert i henhold til foreliggende oppfinnelse*

fig. 2 er en grafisk fremstilling av tidsfordelingen av gammastråler som er et resultat av bestrålingen av en grunn-formas jon med tidsadskilte utbrudd av hurtige neutroner*

fig. 3 er en skjematisk skisse av et undersystem til logge-apparatet på fig. 1; og

fig. 4 viser skjematisk deler av systemet og under-

systemet som er vist på fig. 1 og fig. 3.

Selv om oppfinnelsen kan underkastes forskjellige modi-fikasjoner og alternative konstruksjoner, er det på tegningene og i beskrivelsen vist og beskrevet en foretrukket utførelses-form av oppfinnelsen. Det er imidlertid underforstått at den spesielle beskrivelse og tegningene ikke er ment å begrense oppfinnelsen til den spesielle viste form. Det er tvert i mot hensikten at rammen for dette patentet omfatter alle modifika-sjoner og alternative konstruksjoner som faller innenfor rammen for oppfinnelsen slik den fremgår av de vedføyde krav, og også hele område av deres ekvivalenter.

Det vises nå til fig. 1 hvor det er vist en utførelsesform av oppfinnelsen som omfatter et fluidumtett, trykk- og temperatur-bestandig borehullsapparat eller en sonde 10 som er anordnet for å henge ned i et borehull 12 ved hjelp av en armert kabel 14 for undersøkelse av en undergrunnsformasjon 16. Borehullet

12 er illustrert som et foret borehull, innbefattet de vanlige ringformede sement- og stål-foringsrør 18 og 20, og inneholder et borehullsfluidum 42. Selv om det ikke er vist noen rør-ledning i borehullet, kan apparatet om ønsket, dimensjoneres for å kunne passere gjennom en rørledning. Man vil forstå at oppfinnelsen også kan anvendes til logging av åpne hull.

Sonden 10 omfatter en pulset neutronkilde 22 for frembringelse av primærstråling for bestråling av formasjonen, og en strålingsdetektor 24 for deteksjon av sekundærstråling som vender tilbake fra formasjonene. Neutronkilden 22 er fortrinnsvis av akseleratortypen som er beskrevet i US-patent nr. 3.461.291. Denne type neutronkilde er spesielt egnet til å generere diskrete utbrudd av høyenergetiske eller hurtige neutroner, f.eks. ved 14 MeV, med kontrollert varighet og repitisjonshastighet.

Figur 2 illustrerer et typisk neutronutbrudd eller neutron-puls 50 og den resulterende tidsfordeling av gammastråler som blir frembragt ved vekselvirkning mellom de genererte neutroner og formasjonsbestanddelene gjennom både en uelastisk sprednings-mekanisme og en neutroninnfangningsmekanisme. Som man ser henger det igjen en innfangnings-gammastrålerest 48 fra en tidligere puls som tidsmessig strekker seg inn i det påfølgende neutronpulsintervallet. I løpet av neutronpulsintervallet

blir det fra formasjonen frembragt både uelastiske gammastråler 52 og innfangnings-gammastråler 54, idet mengden av hver stiger etterhvert som neutronpulsen fortsetter. Innfangnings-gammastråler kommer'både fra gjenværende neutroner fra den tidligere puls og fra neutroner som er frembragt under den pulsen 50 som er av interesse. Når neutronutbruddet opphører, slutter produksjonen av uelastiske gammastråler nesten øye-blikkelig, mens produksjonen av innfangnings-gammastråler avtar langsomt med økende tid. Man ser derfor at hvis uelastiske gammastråler skal detekteres, må deteksjonsintervallet eller det første intervallet hovedsakelig korrespondere med neutronutbruddet og at en betydelig bakgrunnsstråling fra innfangnings-gammastråler vil være til stede. Videre vil det gjennomsnitt-lige antall av innfangnings-gammastråler som detekteres som bakgrunnsstråling under neutronpulsen, være noe mindre enn det antall som detektéres under et ekvivalent andre tidsintervall, eller bakgrunnsporten, som følger umiddelbart etter neutronpulsen.

Detektoren 24 kan være av enhver konstruksjon som er egnet til deteksjon av gammastråler og til frembringelse av et pulssignal som respons på hver detektert gammastråle, og som feair & el amplitude, som-, er representativ for energien til den detekterte gammastrål enu EU siiifc. detektor omfatter vanligvis et seiiiitiLl.las;j;0,ms—krystall 2:6, sam. er optisk koblet, til et fotamaitiplikatorrør 2S. Krystallet, er fortrinnsvis av typen talllum-aktivert raatriuitrjodid,, selv om. andre egnede krystaller, slik som talliuæ eller natriuraaktivext cesiiæn.jio<Ii.dr kan brukes. Alternativt kan det brukes en faststoff-detektor med f.eks.

et germaniumkrystall. En neutronskjerm 30 kan være anbragt mellom kilden 22 og detektoren 24 for å redusere bombarde-mentet av detektoren fra neutroner som kommer direkte fra kilden.

Elektrisk kraft til sonden 10 blir levert gjennom kabelen 14 fra en kraftforsyning (ikke vist) på overflaten. Passende

kraftkilder (heller ikke vist) er også innbefattet i sonden 10 med det formål å drive neutronkilden 22, detektoren 24 og annen elefetronikk nede: ii. borehulle*.. Sonden. 10j kan være omgitt av em fcægige 32 Impregjmiert med' boToafearbid,. plassert foo.vecis;aik:elii.g) i. ©iæradtet før klldlera 22 ©gr detektoren'. 2;4'-. Kappent 32' virker som en skjemm for å minske deteksjonen* av giammastraling somi stammer fra neutron-interaksjon i den umiddelbare nærhet av kilden og detektoren. En forsterker 34 virker på utgangs-pulsene fra fotomultiplikatoren 28. De forsterkede fotomulti-plikator-pulsene blir deretter ført til en pulshøyde-analysator (PHA) 36, som kan være av enhver konvensjonell type, slik som en enkel rampe-type (Wilkinson rundown). Den kan omfatte de vanlige pulshøyde-diskriminatorene for å velge det gammastråle-energiområde som skal analyseres, og lineære portkretser for styring av den tidsdelen av detektorsignaltoget som skal analyseres.

Piailshøyde-analysatoren 36 sorterer detektorpulsene i forut-bestemme kanaler i henhold til deres amplitude, for å tilveiebringe et energispektrum og leverer signaler i passende digital form som representerer amplituden av hver analysert puls. De digitale utgangene fra pulshøyde-analysatoren 36 blir lagret i bufferlager 46, og blir så overført til telemetri- og kabeltilkoblings-kretser 38 for overføring over kabelen 14 til overflaten. På overflaten blir kåbélsignalene mottatt av signalbehandlings- og kabeltilkoblings-kretser 40. Man vil forstå at kretsene 38 og 40 kan være av enhver passende kjent konstruksjon for koding og dekoding, multipleksering og de-multipleksering, forsterkning og annen behandling av signalene for overføring til og mottagelse av elektronikken på overflaten. Egnede kretser er f.eks. beskrevet i US-patent nr. 4.012.712.

Virkemåten til sonden 10 blir styrt av signaler sendt ned

i hullet fra en hovedprogramm-enhet, ikke vist, plassert på overflaten. Disse signaler blir mottatt av en referansepuls-krets 4 4 som, som respons på disse, overfører styresignaler

til neutronkilden 22 og til pulshøyde-analysatoren 36.

Ved mottagelse av referansepulsene genererer pulskretsen

en flerhet av skarpe utløsningspulser, og bringer dermed kilden 22 til å sende ut tilsvarende skarpe utbrudd av hurtige neutroner. For det formål å utføre en bestanddelsanalyse av gammastrålespektre fra uelastisk spredning i samsvar med oppfinnelsen, er neutronutbruddene fortrinnsvis av kort varighet, f.eks. 18 mikrosekunder, og blir gjentatt rned korte mellomrom, f.eks. hvert 100 mikrosekunder eller lignende, for å tilveiebringe tilfredsstillende statistisk pålitelighet i spektrumanalysen. Styresignalene som sendes fra referansepuls-kretsen 44 til puls-høyde-analysatoren 36 klargjør de lineære portkretsene til pulshøyde-analysatoren under tre forskjellige tidsperioder i forhold til hvert neutronutbrudd. Den første, eller "utbrudd-porten" eller "uelastiske"-porten, i hvilken gammastråling fra uelastisk spredning pluss bakgrunnsstråling blir detektert, faller hovedsakelig sammen med et respektivt neutronutbrudd som vist på fig. 2. Den andre, eller "bakgrunnsporten", følger umiddelbart etter neutronutbruddet i den foretrukne utførelses-form, men kan i virkeligheten være anbragt andre steder, slik som foran utbruddet. Den tredje, eller "innfangnings"-deteksjonsporten, blir åpnet ved et valgt tidspunkt mellom neutronutbruddene. Man vil forstå at innfangnings-gammastråling vil representere hovedkomponenten av bakgrunnsstrålingen i den ellers dominerende gammastrålingen fra uelastisk spredning som detekteres under port-perioden som faller sammen med neutronutbruddet.

Siden det for spektralanalysen er ønskelig å oppnå et så rent gåmmastrålespektrum fra uelastisk spredning som mulig, må tilstedeværelsen av innfangnings-bakgrunnsstrålingen i det uelastiske spektret fjernes. Dette blir ifølge oppfinnelsen gjort ved å subtrahere en del av energispektret av de detekterte gammastråler i bakgrunnsporten fra spektret for gammastråler fra uelastisk spredning som detekteres under utbrudds-porten. Ved hjelp av denne teknikk blir det uelastiske spektret mer nøyaktig og korrekt kompensert <for bakgrunnsstråling, sammenlignet med den forannevnte teknikkens stand for kompen-sering som består i å subtrahere de totale bakgrunnstellinger som detekteres før neutronutbruddet av interesse fra det uelastiske spektret eller ved å bruke en laboratorie- eller test-grop som standard for bakgrunnsstrålingen.

Det vises nå igjen til fig. 1 hvor signaler som representerer spektrene tilknyttet den uelastiske porten, bakgrunnsporten, og innfangningsporten blir samlet og lagret i passende kretser, slik som signalprosessor- og kabeltilkoblings-kretsen 40 for etterfølgende utnyttelse, som kan finne sted i egnede analoge kretser eller i en passende programmert digital data-maskin, slik som PDP-ll-datamaskinen som leveres av The Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts. For at etter-følgende behandling skal utføres tilfredsstillende, er det som et første trinn, nødvendig å regulere både innfangningsspektret, bakgrunnsspektretog det uelastiske spektret med hensyn til både forsterkning og forskyvning for å bringe disse tre spektrene hovedsakelig i overensstemmelse med hverandre. Reguleringer av de målte spektre blir følgelig foretatt ved å anvende en teknikk med veiet tilpasning etter minste kvadraters metode av de respektive spektre til et spektrum som er sammensatt fra standard elementspektre utledet under kontrollerte omgivelser.

Før de spesielle trinn som blir utført i den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen blir beskrevet i mer detalj,

er det instruktivt mer generelt å diskutere den underliggende teori på hvilken spektral tilpasnings-analysen er basert.

Hvert spektrum, det uelastiske spektret, bakgrunnsspektret eller innfangningsspektret, som oppnås med multikanal-analysa-toren, blir registrert som et histogram. Abscissen er energi-aksen som er delt i m energi-intervaller med lik bredde. (For typisk oppløsning for en Nal(Tl)-detektor, er m = 256 til-strekkelig). Ordinaten for det i'te energi-intervallet er det antall gammastråler (n^) som er oppsamlet for det energi-intervallet i den foretrukne utførelsesform.

Alle spektre er representert som m-dimensjonale vektorer, p. Komponentene, p^, av hver vektor er normalisert slik at summen av p/ene er en enhet.

Et formasjonsspektrum, p, kan generelt beskrives som en lineær kombinasjon av et fullstendig sett av s standard elementspektre, P-<1> (j = 1, 2, ...,s). Hvert av disse standardspektrene kan svare til et element som forventes å være til stede i formasjonen.

Vektorene for standardspektrene er matematisk representert av søylevektorer i en m ganger s spekter-deskriptor-matrise, p, slik at

hvor X er en vektor hvis komponenter er de spektroskopiske ytelses-koeffisienter, Xj . Hver Xj representerer delbidraget fra den tilsvarende standard spektrum-deskriptor-vektor, P^,

til det totale målte spektrum, p_. De mest signifikante spektral-respons-funksjoner som kreves for de bakgrunns-korrigerte uelastiske spektre, er de for elementene C, 0, Ca, Si, Fe,

Cl og for innfangningsspektrene for elementene H, Si, Cl, Ca, Fe og bakgrunnsstrålingen.

Det generelle problem ved spektroskopisk logganalyse er å bestemme ytelses-koeffisientene, X j , som representerer bidraget fra hvert element til det observerte spektrum. Siden matrisen p ikke er kvadratisk (på grunn av m . s), er det vanligvis ikke mulig å invertere for å løse med hensyn på X. Det målte spektrum, p_, inneholder også statistiske feil som kan være representert ved å innbefatte et feilspektrum, £, i ligning 1,

Ved å velge en egnet positiv symmetrisk veiematrise, W, blir den kvadrerte veide statistiske feil

T T

hvor £ er den transponerte av £, og £ W £ er et tall som måler den totale feil. Den veide minste kvadrat-løsning som.

minimaliserer feilen i ligning 3 er gitt ved

Valget av veiematrisen bestemmer beskaffenheten av overslaget over de minste kvadrater. For å unngå langvarige matrise-inversjoner for hver analyse, er det overslaget som brukes for W basert på et typisk spektrum.

Ligning 4 kan omskrives på formen

Matrisen, E, består av s radvektorer, E^ , hver tilordnet ett av de standard element-deskriptorspektrene, P-1 . Vektorene, E-^ , blir kalt lineære estimatorer fordi det skalære produkt mellom det observerte spektrum, p_, °9 hver av vektorene, E^ , gir delbidraget, eller ytelsen, Xj, av det j'te element til det observerte spektrum.

For å generere settet av standardspektre, Pp , for bruk i deskriptormatrisen, p, blir uelastiske spektre og innfangningsspektre tatt opp i spesielle laboratorieformasjoner som er konstruert for å fremheve spektralbidraget til hvert gitt element.

Som diskutert ovenfor fører hver standard til generering av en tilordnet lineær estimator, E-' hvis form avspeiler beskaffenheten av standarden og krysskorrelasjonene mellom det og andre standarder. Estimatoren er således en type digitalt filter som trekker ut fra det observerte spektrum, p_, bidraget fra dets tilordnede standardspektrum. For eksempel har både karbon- og oksygen-estimatorene store positive komponenter hvor der er topper i de tilsvarende standardspektre. Estimatorene har også negative komponenter. Dette inntreffer, når en standard anti-korrelerer med en eller flere andre standarder, siden estimatoren for en standard blir utledet slik at den er så uavhengig som mulig fra estimatorer for andre standarder. Det vises nå igjen til fig. 1 hvor standard elementspektrene blir holdt i lagre 80. Når det er nødvendig, blir standardspektrene lest ut og redusert og lagret i sine konvolverte form av konvolusjonsfilter-krets og -lager 82. Konvolusjonsfilter-kretsen og prosessen med å redusere standard-elementspektrene er emne for US-patent, søknad nr. 065.244, inngitt 9. august 1979 som er henlagt og fortsatt som US-patentsøknad nr. 187.123, inngitt 15. september 1980 av søkeren til foreliggende oppfinnelse. Kort summert får kon-volus jonsf ilter-kretsen 82 standard elementspektrene til å

bli redusert på en måte som tar i. betraktning virkningene av temperaturen på detektoroppløsningen under deteksjonen av de målte spektre. Denne prosess innser og tar fordel av det faktum at en bedre spektralanalyse kan utføres ved hjelp av tilpasning av et tilpasningsspektrum ved hjelp av veide minste kvadraters metode, omfattende en veid sammensetning av standardspektre, til det ukjente spektrum når tilpasningsspektret er blitt redusert på en måte som simulerer reduksjonen av detek-toroppløsningen som forårsakes av de høye temperaturer som kan forekomme i måleapparatet. Dette er av største betydning ved logging av oljebrønner siden differansen i temperatur mellom laboratoriet, hvor standardspektrene blir utledet, og borehullsomgivelsene kan være ganske ekstreme. Ytterligere beskrivelse av konvolusjonsfilter-kretsen og fremgangsmåten vil bli gitt nedenfor.

De degraderte standardspektrene blir deretter anvendt til

å generere et likt antall av bestanddeler eller lineære estimatorer i bestanddelsestimator-kretsen 84. De estimatorene som er blitt definert ovenfor som lineære estimatorer hvis skalære produkter med et spektrum gir delbidragene eller ytelsene til spesielle elementer til det observerte spektrum, blir lagret i organet 84 for å være tilgjengelige for etter-følgende behandlingstrinn.

Det neste trinn i prosessen er illustrert i undersystemet 86 hvor en iterativ leting blir utført for å modifisere innfangningsspekret med hensyn til forsterkning og forskyvning,

for å minimalisere differansen mellom det innfangningsspekret som oppnås fra innfangningsporten og det sammensatte spektrum som er satt sammen av de konvolverte standard elementspektre som er lagret i organet 82. Når kravene til best mulig til-

pasning er blitt oppfylt, blir den forsterkning som svarer til den beste tilpasning, levert til en delsystsemkrets 88 for modifisering av bakgrunns- og det totale uelastiske spektrum som så modifiserer både det målte bakgrunnsspektrum og det totale uelastiske spektrum til å ha en forsterkning som er ekvivalent ved den forsterkning som er bestemt av organet 86. Organet 88 utfører så en lignende iterativ leting over forskyvningen av det uelastiske spektrum for å optimalisere tilpasningen mellom det uelastiske spektrum og et sammensatt standardspektrum. På denne måte blir verdier både for forsterkning og forskyvning av det totale uelastiske spektrum generert av kretsene 86 og 88. Disse verdier for forsterkning og forskyvning blir deretter anvendt til å modifisere både bakgrunnsspekteret og det totale uelastiske spektrum. Det modiserte totale uelastiske spektrum blir så levert til og lagret i organet 56 for etterfølgende utnyttelse. Det modifiserte bakgrunnsspektrum blir levert til kretsen 60. Kretsen 60 påfører bakgrunnsspekteret en ytterligere forskyvning som så blir lagret i bakgrunnslageret 58.

Opp til dette punkt er det blitt beskreveet en grov signal-omformings-prosess. Denne grove spektralregulering eller modifikasjon er nødvendig for å sikre den etterfølgende "fine" regulering av bakgrunnsspekteret før det blir subtrahert fra det totale uelastiske spektrum for å generere et rent netto uelastisk spektrum som er fri for bakgrunnsstråling. Kort sagt blir en subtraksjonsfaktor generert fra bakgrunnsspekteret, det totale uelastiske spektrum og bestanddelsestimatorene. Subtraksjonsfaktoren er en multiplikativ brøkdel som er proporsjonal med forholdet mellom et tall som indikerer de tellinger som skyldes innfangnings-bakgrunnsstråling som finnes i den uelastiske porten, og et tall som indikerer innfangnings-bakgrunnstellinger i bakgrunnsporten, og kan symboliseres som følger

hvor:

NCGINL er antall innfangningstilfeller i det totale uelastiske spektrum; NCBKG er antall innfangningstilfeller i bakgrunnsspektret; E (i) er den sammensatte innfangningsestimator ved kanal i; og GINL(i) og BKG(i) er antallet tilfeller ved kanal i, i henholdsvis det totale uelastiske spektrum og bakgrunnsspektret. E (i) kan omskrives som ET ET (i) hvor <ET>(<i>)

—C Li —Li —Li

er innfangningsestimatoren ved kanal i for et spesielt inn-fangningselement L (f.eks. hydrogen, jern, osv.). Vektoren E vil vanligvis omfatte summen av-alle estimatorene ET for alle innfangningselementene som forventes å bidra til det målte spektrum. Imidlertid kan det i praksis vise seg at ikke alle behøver å være innbefattet. Det er således mulig at bare estimatoren for hydrogen eller for hydrogen og jern behøver å væré innbefattet i dette trinn.

Når subtraksjonsfaktoren er blitt bestemt i organet 62, blir den så multipliserende kombinert i organet 66 med bakgrunnsspektret fra lageret 58 for å normalisere bakgrunnsspektret og produktet blir subtrahert fra det totale uelastiske spektrum som leveres fra lageret 56 i henhold til forholdet: netto INL = total INL - F<X>BKGS, hvor BKGS er det forskjøvede bakgrunnsspektrum. Resultatet er et netto uelastisk spektrum som hovedsakelig er fritt for bakgrunnsstråling.

Etter nå å ha bestemt det netto uelastiske spektrum som

er igjen etter subtraksjonen av bakgrunnsstråling fra det totale uelastiske spektrum, bestemmer systemet nå om den optimale mengde av et passende forskjøvet bakgrunnsspektrum er blitt brukt i subtraksjonen. Det gjør dette ved å bestemme, fra en kombinasjon av en eller flere av bestanddelsestimatorene og det netto uelastiske spektrum, delbidraget til hvert av eller i det minste noen av, de elementer som omfatter det netto uelastiske spektrum i organet 76. Delbidragene blir så brukt i standardsammensetnings-assembleren 78 som en oppskrift for sammensetning av de konvolverte elementstandarder i en lineær kombinasjon for å sette sammen et sammensatt standardspektrum. Det samlede sammensatte standardspektrum og det netto uelastiske spektrum blir så sammenlignet i spektrumkomparatoren 70, og en verdi for godheten av tilpasning blir utledet. Hvis godhets-verdien for tilpasningen som medfører en deteksjon av de minste kvadrater, er optimal, blir informasjonen som inneholdes i delbidragene matet ut til båndplotteren 70, eller en annen regi-steringsanordning slik som en magnetbåndskriver, hvor del-

bidragene til de forskjellige elementer blir registrert i logg-form. Hvis godheten av tilpasningen ikke er tilfredsstillende, blir et styresignal sendt fra spektrumkomparatoren 70 til bakgrunnsforskyvnings-kretsen 60, og hele prosessen blir gjentatt ved en forskjellig.forskyvning av bakgrunnsspektret.

For fagfolk på området skulle det nå fremgå klart at det system som er beskrevet og vist på fig. 1 utfører en iterativ leting over en bakgrunnsforskyvning for å minimalisere differansen mellom "tilpasningsspektret", som omfatter en sammensetning av de reduserte standardspektre, og det utledede netto uelastiske spektrum. I hver av iterasjonssløyfene påvirker det forskjellig forskjøvede bakgrunnsspektrum både den verdien som er bestemt for subtraksjonsfaktoren i kretsen 62 og formen av det netto uelastiske spektrum i kretsen 66. I tillegg kan det i.praksis vise seg at bare en del av "tilpasningsspektret" behøver å sammenlignes med det netto uelastiske spektrum for å få en beste tilpasning. For eksempel vil man innse at det område av spektret som er mest følsomt i tilpasningsprosessen til en uriktig forskyvning av bakgrunns-grunnlinjen er i område for spektrallinjen for hydrogen. Derfor kan det hende at bare området for hydrogenlinjen bør undersøkes for å oppnå en tilfredsstillende tilpasning.

Modifiseringskretsen for innfangningsspektret og modi-fiseringskretsene 86 og 88 for henholdsvis bakgrunnsspektret og det totale uelastiske spektret, vil nå bli beskrevet nærmere under henvisning til fig. 3. Først blir innfangningsspektret slik det opprinnelig utledes fra måleapparatet, samt bakgrunnsspektret og det totale uelastiske spektrum slik de opprinnelig utledes fra måleapparatet, levert til enheter, henholdsvis 86 og 88. Innfangningsspektret blir justert i justeringskretsen 100 ved å forskyve både dets forsterkning og forskyvning. Det justerte eller forskjøvede innfangningsspektret blir så kombinert med de konvolverte bestanddels-estimatorene for innfangningselementene som er tilgjengelige fra lageret 84. Denne kombinasjon gir delbidrag-tallene , som deretter blir anvendt av assembleren 106 til å sette sammen et sammensatt standard innfangningsspektrum fra det reduserte standard innfangningsspektret som har vært lagret i konvolusjonsfilter-kretsen og

-lageret 82. Det sammensatte spektrum blir så sammenlignet i

spektrumkomparatoren 108 med det regulerte innfangningsspektrum. Hvis sammenligningen ikke er optimal, blir et styresignal levert til justeringskretsen 100 for innfangningsspektret som omregulerer innfangningsspektret med hensyn til først forsterkningen og så forskyvningen. Som et resultat av denne lukkede sløyfe, kan man se at en iterativ prosess blir utført i organet 86 inntil en optimal sammenligning blir oppnådd. Ved dette punkt blir innfangningsspektrets forsterkningsforskyvning, som er bestemt som optimal, levert til enheten 88 og blir deretter brukt i regulatoren 98 for det netto uelastiske spektrum.

Som et første trinn i den prosess som utføres av spektrum-justeringskretsen 98, kan man se at et netto uelastisk spektrum blir frembragt av generatoren 96 fra inngangsdata om bakgrunnsspektret og det totale uelastiske spektrum. Det netto uelastiske spektrum blir utledet på en måte i likhet med dem som er diskutert ovenfor, hvor bakgrunnsspektret blir normalisert ved hjelp av en subtraksjonsfaktor før det blir subtrahert fra det totale uelastiske spektrum. På dette punkt behøver subtraksjonsfaktoren ikke å være svært nøyaktig, men behøver bare å

gi et grovt anslag av det netto uelastiske spektrum.

Det grove netto uelastiske spektrum blir så modifisert

med hensyn til sin forsterkning av innfangningsforsterkningen som leveres.fra enheten 86. I tillegg blir forskyvningen av det netto uelastiske spektrum også regulert i en iterativ teknikk maken til den som opptrer i den tidligere beskrevne enhet 86 i Kort sagt blir både de uelastiske estimatorene og innfangnings-estimatorene kombinert med et netto uelastisk spektrum for å gi delbidrag-tall Vl^ i enheten 104 som deretter blir brukt ved konstruksjonen av et innfangnings pluss uelastisk standardspektrum i assembleren 110 fra de konvolverte inn-fangningsstandardene og de uelastiske standardene som leveres fra lageret 82. Det sammensatte spektrum blir så sammenlignet i spektrumkomparator-kretsen 112 med det netto uelastiske spektrum som leveres fra organet 98. Hvis sammenligningen er util-fredsstillende, dvs. ikke optimal, blir et styresignal sendt tilbake til organet 98 som omjusterer bare forskyvningen, og prosessen blir gjentatt. På denne måte blir en rekke forskjellige sammensatte spektre og netto uelastiske spektre

bestemt, inntil tilpasningen mellom det sammensatte spektrum og det netto uelastiske spektrum er blitt optimalisert. Ved dette punkt er det blitt bestemt optimale verdier både for en forsterkningsforskyvning og en forskyvning. Kretsen 114 for modifisering av spektre benytter så disse forsterknings- og forskyvnings-modifikasjonene til det målte bakgrunnsspektrum og det målte totale uelastiske spektrum, og leverer disse til henholdsvis organene 60 og 56 på fig. 1.

En kort beskrivelse av trinnene som utføres ved konvolver-ingen av standardspektrene og ved bestemmelsen av bestanddels-estimatoren vil nå bli kort beskrevet i forbindelse med fig. 4. Blokken 80 representerer det lager hvor standardspektrene, både innfangningsspektre og uelastiske spektre, for alle de elementer som tenkes å være av vesentlig betydning, er blitt lagret. I tillegg omfatter lageret 80 et typisk sammensatt spektrum fra hvilket statistiske vekt-tall blir beregnet. Standardspektrene og det typiske sammensatte spektrum blir på-virket av konvolverings-kretsen 82 for å frembringe modifikasjon av dem på en måte i likhet med den som er beskrevet i US-patentsøknad nr. 065.244 som nå er henlagt, og fortsatt som US-patentsøknad nr. 187.123, inngitt 15. september 1980 og som tilhører søkeren av foreliggende søknad. Formålet med konvol-veringsfilteret eller reduksjonsfilter-kretsen er å forbedre spektralanalysen ved hjelp av teknikken med veid tilpasning etter minste kvadraters metode, ved å redusere standardspektrene på en måte i likhet med den som opptrer som et resultat av den reduserte detektoroppløsning som forårsakes av de forhøyede temperaturer som måleapparatet utsettes for.

De reduserte eller konvolverte standardspektrene og det reduserte typiske sammensatte spektrum blir så anvendt i organet 8 4 for å generere et sett av reduserte elementestimatorer. De reduserte estimatorene blir deretter anvendt av kretsen 122 i forbindelse med et ukjent spektrum utledet fra måleapparatet 10 til å generere et sett av delbidrags-verdier W^. Disse delbidrag-verdiene blir så kombinert i assembleren 124 med de konvolverte eller reduserte standardspektrene for å sette sammen et sammensatt spektrum som deretter blir sammenlignet i spektrum-komparatoren 126 med det ukjente spektrum. Lykkes det ikke å oppnå en optimal godhet på tilpasningen, sendes et styresignal tilbake til konvolveringsfilter-kretsen 82, og prosessen blir iterativt gjentatt inntil en optimal tilpasning er blitt fastslått. Ved bestemmelsen av en optimal tilpasning, blir de konvolverte standardspektre og de konvolverte estimatorer som svarer til den optimale tilpasning, lagret i lagre, henholdsvis 82 og 84.

Som beskrevet i nevnte US-paténtsøknad, behøver ikke standardspektrene og deres respektive estimatorer nødvendigvis å være beregnet for hver av de mange målte spektre. I stedet kan det være nødvendig bare å ombestemme de reduserte standardspektre og deres respektive reduserte estimatorer bare når temperaturen til måleapparatet forandres med en mengde som overstiger en forutbestemt verdi.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for spektroskopisk analyse av elementbestanddelene av en geologisk formasjon omfattende: a) gjentatt bestråling av formasjonen med utbrudd av nøytroner; b) for hvert utbrudd detektering av gammastråling som stammer fra formasjonen i løpet av et første tidsintervall ; c) generering av et totalt uelastisk gammastråle-energispektrum som har et uelastisk gammastråle-bidrag og et innfangnings-gammastråle-bakgrunns-bidrag, ut fra en rekke av nevnte første tidsintervaller; d) for hvert utbrudd detektering av gammastråling som stammer fra formasjonen i løpet av et forskjellig, andre tidsintervall; og e) generering av et bakgrunnsspektrum fra en rekke av nevnte andre tidsintervaller; karakterisert vedf) justering av bakgrunnsspekteret slik at det kommer til å ligne mer på bakgrunnsdelen av det nevnte totale energispektrum, ved å justere størrelsen av bakgrunnsspekteret med en faktor som er proporsjonal med forholdet mellom et tall som indikerer bakgrunnsstrålingen i det totale energispektrum, og et tall som indikerer bakgrunnsstrålingen i bakgrunnsspekteret, og g) redusering av bakgrunnsdelen av det totale energispektrum ved å kombinere det totale energispektrum og det justerte bakgrunnsspektrum for å generere et forbedret netto uelastisk gammastråle-energispektrum.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bakgrunnsspektret ytterligere justeres slik at det kommer til å ligne mer på bakgrunnsdelen av det totale energispektrum ved gjentatte ganger å forandre forskyvningen av bak-grunsspektret med forskjellige størrelsr og velge det forandrede bakgrunnsspektrum som mest ligner bakgrunnsdelen av nevnte totale energispektrum.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at: (i) forskyvning av basislinjen til bakgrunnsspektret; (ii) redusering av det totale energispektrum med nevnte forskjøvede bakgrunnsspektrum for å generere et netto energispektrum; (iii) frembringelse av et sammensatt energispektrum fra et eller flere standard elementspektre; (iv) sammenligning av i det minste en del av nevnte netto energispektrum med i det minste en del av nevnte sammensatte energispektrum og bestemmelse av godheten til tilpasningen mellom disse; og (v) gjentagelse av trinnene (i) til (iv) med en flerhet av forskjellige forskyvninger for å bestemme forskyvningen og det tilsvarende netto energispektrum for hvilket godheten av tilpasningen er optimalisert.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at nevnte andre tidsintervall er tilstøtende i tid til nevnte første tidsintervall.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4,karakterisert ved utledning av elementbestanddelene av den geologiske formasjon ut fra en flerhet av nevnte netto uelastiske energispektre og generering av en logg som indikerer formasjonens uelastiske elementbestanddeler i forhold til dybden.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnet med å justere størrelsen av bakgrunnsspektret omfatter trinnene: a) kombinering av en eller flere elementestimatorer for de elementer som tenkes å bidra til bakgrunnsstrålingen, for å frembringe en kombinasjonsestimator; b) kombinering av både det totale energispektrum og bakgrunnsspektret med nevnte kombinasjonsestimator og frembringelse av forholdene mellom resultantene for å generere en subtraksjonsfaktor; og c) multiplisering av bakgrunnsspektret med subtraksjonsfaktoren for å generere nevnte bakgrunnsspektrum med justert størrelse.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at trinnet med å redusere størrelsen av bakgrunnsspektret omfatter trinnene: a) identifisering av noen av de elementer som bidrar til bakgrunnsstrålingen; b) utvelgelse fra nevnte identifiserte elementer av et eller flere elementer og bestemmelse av deres elementestimatorer; c) kombinering av både det totale energispektrum og bakgrunnsspektret med nevnte valgte elementestimatorer og frembringelse av forholdene mellom disse for å generere en subtraksjonsfaktor; og d) kombinering av bakgrunnsspektret og nevnte subtraksjonsfaktor for å generere nevnte bakgrunnsspektrum med justert størrelse.

8. Apparat for spektroskopisk analyse av elementbestanddelene til en geologisk formasjon, hvilket apparat omfatter: a) en anordning for gjentatte ganger å bestråle formasjonen med utbrudd av primærstråling; b) en anordning for å detektere sekundærstråling som stammer fra formasjonen i løpet av et første tidsintervall, og for generering av et totalt energispektrum, idet nevnte totale energispektrum omfatter en del som skyldes bakgrunnsstråling; c) en anordning for å detektere sekundærstråling som stammer fra formasjonen i løpet av et forskjellig andre tidsintervall, og generering av et bakgrunnsspektrum ut fra dette; og karakterisert ved d) en anordning for å justere nevnte bakgrunnsspektrum til mer å ligne bakgrunnsdelen av det totale energispektrum omfattende en anordning for gjentatte ganger å forandre forskyvningen av nevnte bakgrunnsspektrum medl forskjjelllgje størrelser og for å velge det forandrede- bakgrrunnsspektrum som mest ligner bakgrunnsdelen av det totale energispektrum; og e) en anordning for å redusere bakgrunnsdelen av det totale energispektrum ved å kombinere det totale energispektrum og det justerte: bakgrunnsspektrum for å generere et forbedret netto eniergispektrum som hovedsakelig er fritt for bakgrunnsstråling.

9. Apparat ifølge krav 8,karakterisert ved at anordningene (d) og (e) omfatter: (i) en anordning for å forskyve basislinjen til nevnte bakgrunnsspektrum; (ii) en anordning for å redusere det totale energispektrum med nevnte forskjøvede bakgrunnsspektrum for å generere et netto energispektrum;. (iii) en anordning for å frembringe et sammensatt energji-spektrum fra et eller flere standard elejaeratsge-k-tre? (iv) en anordning for å sammenligne i det minste en å& l av det netto energispektrum med i det minste en del av det sammensatte energispektrum og bestemmelse av godheten til dets tilpasning og (v) en anordning for å optimalisere godheten av tilpasningen mellom nevnte del av netto energispektret og nevnte del av det sammensatte emergispektxinni,

10. Apparat ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at anordningen for å justere bakgsruirBnsspektret, omfatter: a) ent anordning for å justere størrelsen av baTfegoraro<p>s-— spektret med en faktor som er proporsjonal med forholdet mellom antall bakgrunnstellinger estimert å være tilstede i det totale gamma-energispektrum og antall bakgrunnstellinger estimert å være tilstede i bakgrunnsspektret.

11. Apparat ifølge krav 10,karakterisert ved at anordningen for å justere størrelsen av bakgrunnsspektret, omfatter: a) en anordning for å kombinere en eller flere element estimatorer av de elementer som tenkes å være bidrag til bakgrunnsstrålingen, for å frembringe en kombinasjonsestimator; b) en anordning for å kombinere både det totale energispektrum og bakgrunnsspektret med kombinasjons-estimatoren og frembringelse av forholdene mellom resultantene for å generere en subtraksjonsfaktor; og c) en anordning for å multiplisere bakgrunnsspektret med subtraksjonsfaktoren for å generere bakgrunnsspektret med justert størrelse.

12. Apparat ifølge krav 11,karakterisert ved en anordning for å utlede elementbestanddelene av *den geologiske formasjon ut fra en flerhet av nevnte netto uelastiske energispektre og for å generere en logg som indikerer formasjonens uelastiske elementbestanddeler i forhold til dybden.