(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドリルストリング（14）内の長尺で筒状のドリルカラー（40）と、周囲の地層を高エネルギ中性子で照射するためのドリルカラー（40）内の中性子加速器（58）とを有しており、ドリルストリング（14）の端部におけるドリルビット（16）によって穿孔中の坑井を取り囲む地層の特性を測定するための穿孔中に測定を行う装置において、
穿孔流体チャンネルがドリルカラー内でその長手軸の片側に位置されており、
第１中性子検知器（62）がドリルカラー（40）内においてドリルカラー（40）の長手方向において前記加速器から第１間隔にあり、前記第１中性子検知器（62）は主に前記加速器の中性子フラックスに比例する出力を有しており、
前記加速器及び第１中性子検出器はドリルカラー長手軸の反対側に偏心しており且つ互いに実質的に同軸状に整合しており、
第２中性子検知器（66a,66b）が坑井から入射する中性子に対して後方遮蔽されており且つドリルカラーの長手方向において前記加速器から第２の更に離れた間隔でドリルカラーの内壁に隣接して位置されており、前記第２中性子検知器は浅熱水中性子に感応し且つ周囲の地層の水素濃度に対して主に応答し周囲の地層の密度に対して二次的にのみ応答する出力を有しており、
第３放射検知器（84）がドリルカラーの長手方向において前記加速器から第３の更に離れた間隔でドリルカラー内にあり、前記第３放射検知器は前記加速器と実質的に同軸状に整合されており且つ前記第２中性子検知器と比較して周囲の地層の密度に対してより多く応答し且つ周囲の地層の水素濃度に対してより少なく応答する出力を有しており、
中性子窓を画定する手段が（70a,70b）が前記第２中性子検知器（66a,66b）に隣接してドリルカラー（40）内にあり、
坑井の深さの関数として前記第１、第２、第３検知器の夫々の出力を記録する手段（48,50）が設けられている、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１において、前記中性子窓を画定する手段（70a,70b）が前記ドリルカラー内に比較的低散乱性断面物質の物体を有していることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２において、前記比較的低散乱性断面物質の物体がチタンから構成されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項３において、前記チタンの物体がボロンで外装されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項２乃至４の内のいずれか１項において、前記ドリルカラー（40）の外側表面が前記第２検知器（66a,66b）の領域において中性子吸収性物質の層で取り囲まれており、前記中性子吸収性物質の層が前記比較的低散乱性断面物質の物体の位置においてその中に形成されている開口を有していることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５において、前記中性子窓を画定する手段（70a,70b）が前記第２検知器の領域において前記ドリルカラー内に中性子吸収性物質の複数個の隔離されている横方向の層を有していることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項２乃至４の内のいずれか１項において、前記中性子窓画定手段（70a,70b）が、更に、前記第２検知器の領域において前記ドリルカラー内に中性子吸収性物質の複数個の隔離されている長手方向に延在する層を有していることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項２乃至７の内のいずれか１項において、前記第１中性子検知器（62）が、前記中性子加速器に面する側面を除いてその全ての側面が中性子緩和用・吸収用物質で遮蔽されている浅熱水中性子検知器を有していることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項２乃至７の内のいずれか１項において、前記第１中性子検知器（62）が、前記中性子加速器に面する側面を除いてその全ての側面が高インピーダンス物質で遮蔽されているMeV範囲中性子検知器を有していることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項２乃至９の内のいずれか１項において、前記第３検知器（84）がMeV範囲中性子検知器であることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項９又は10において、前記MeV範囲中性子検知器（62,84）が4He検知器であることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項２乃至９の内のいずれか１項において、前記第３検知器がガンマ線検知器を有していることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項２乃至12の内のいずれか１項において、更に、前記第１及び第３検知器の間で前記ドリルカラーの長手方向において中間の間隔に位置されているガンマ線検知器を有していることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項13において、前記ガンマ線検知器が、前記第２検知器と、前記ドリルカラーの長手方向において前記加速器から実質的に同一の距離に位置されていることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項12乃至14の内のいずれか１項において、更に、周囲の地層の岩層構造に関する情報を得るために前記ガンマ線検知器の出力を分光分析する手段を有していることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項２乃至15の内のいずれか１項において、前記第２中性子検知器と前記加速器との間で長手方向の間隔が低エネルギ浅熱水中性子減速長さ（Lepi）の実質的に２倍であることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項２乃至16の内のいずれか１項において、更に、前記第１及び第３検知器の間で前記ドリルカラーの長手方向における中間の間隔に位置されている少なくとも１個の浅熱水中性子検知器を有していることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項２乃至17の内のいずれか１項において、更に、複数個の前記第２浅熱水中性子検知器が前記ドリルカラー内の実質的に同一の長手方向位置に位置しており且つ向上した角度方向即ち方位角の分解能を与えるために前記ドリルカラーの円周方向に離隔されていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項２乃至18の内のいずれか１項において、前記第２検知器が前記ドリルカラーの壁内に形成されている凹所内に位置されており且つ中性子緩和用・吸収用物質によって坑井中性子に対して後方遮蔽されていることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項２乃至19の内のいずれか１項において、前記第１中性子検知器が高インピーダンス物質により地層から発生する中性子に対して遮蔽されており、且つ前記第２及び第３検知器が中性子緩和用・吸収用物質により前記ドリルカラーに沿って輸送される供給源からの中性子に対して遮蔽されていることを特徴とする装置。
【請求項２１】
ドリルストリング内に長尺で筒状のドリルカラーを設けて、ドリルストリングの端部におけるドリルビットにより穿孔中の坑井の周りの地層の特性を測定する方法において、
ドリルカラー内でドリルカラーの長手軸の片側に穿孔流体チャンネルを位置決めし、
該地層をドリルカラー内の中性子加速器からの高エネルギ中性子で照射し、
該加速器と第１検知器とがドリルカラー長手軸の反対側に偏心されており且つ互いに実質的に同軸状に整合されている状態で、第１中性子検知器が主に加速器中性子フラックスに比例する出力を有するように、ドリルカラーの長手方向において該加速器から第１間隔にあるドリルカラー内の第１中性子検知器で放射を検知し、
第２中性子検知器が浅熱水中性子に感応し且つ主に周囲の地層の水素濃度に応答するが該周囲の地層の密度には二次的にのみ応答する出力を有するように、坑井から入射する中性子に対して後方遮蔽されており且つドリルカラーの長手方向において該加速器から第２の更に離れた間隔においてドリルカラーの内壁に隣接して位置している第２中性子検知器で放射を検知し、
該加速器及び第１検知器と実質的に同軸状に整合している第３放射検知器が、該第２検知器よりも、周囲の地層の密度に対してより多く応答し且つ該周囲の地層の水素濃度に対してより少なく応答する出力を有するように、ドリルストリングの長手方向において該加速器から第３の更に離れた間隔におけるドリルカラー内の第３検知器で放射を検知し、
該第２中性子検知器に隣接してドリルカラー内に中性子窓を設け、
周囲の地層の多孔度、密度、及び／又は、岩層構造の表示を派生させるために該第１、第２、第３検知器の出力を結合し、
坑井深さ及び坑井内の方位角配向の内の少なくとも一つの関数として該第１、第２、第３検知器の出力を記録する、
上記各ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項21において、前記結合するステップが、第２及び第３検知器の出力を第１検知器の出力で正規化することにより、第１検知器の出力を第２検知器及び第３検知器の出力と結合させることを包含していることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項22において、前記結合するステップが、更に、第２及び第３検知器の正規化した出力をクロスプロットさせることを包含していることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項22において、クロスプロットさせた正規化した出力が逆正規化出力であることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項22乃至24の内のいずれか１項において、前記結合するステップが、第１の所定の経験的関係に従って、正規化した第２検知器の出力から水素インデックスの値を派生し、且つ、第２の所定の経験的関係に従って、正規化した第３検知器の出力及び水素インデックスの値から中性子減速長の値を派生することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項25において、前記結合するステップが、更に、周囲の地層における多孔度、岩層構造、及び／又は、ガスの存在の情報を得るために水素インデックスの値及び減速長の値を結合させることを包含していることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項22乃至26の内のいずれか１項において、第３検知器が中性子検知器を有しており、且つ第２検知器と加速器との間の長手方向間隔は低エネルギ中性子減速長（Lepi）の実質的に２倍であり、第１及び第３検知器の出力が結合されて高エネルギ中性子減速長（Lh）又は低エネルギ減速長（Lepi）の測定値を派生し、第１及び第２検知器の出力が結合されて水素インデックスの測定値を派生し、Lh又はLepi測定値と水素インデックス測定値とがクロスプロットされて周囲の地層の多孔度及び岩層構造の内の少なくとも一つの情報を得る、ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項22乃至27の内のいずれか１項において、第３検知器が中性子検知器を有しており、且つ第２検知器と加速器との間の長手方向の間隔が低エネルギ中性子減速長（Lepi）の実質的に２倍であり、第２及び第３検知器の出力を第２検知器の出力によって正規化し、且つ第２及び第３検知器の正規化した出力をクロスプロットさせて周囲の地層における多孔度、岩層構造、及びガスの存在の内の少なくとも一つの情報を与える、ことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項22乃至28の内のいずれか１項において、前記結合するステップが、周囲の地層に対する水素インデックス及び高エネルギ中性子減速長（Lh）又は低エネルギ中性子減速長（Lepi）の値を派生させるために第２及び第３検知器の正規化した出力を結合し、且つ周囲の地層の嵩密度をの情報を得るために、Lh又はLepiの測定した値における変化を既知の嵩密度、水素インデクッス、元素組成の較正地層に対する嵩密度における変化へ関連付ける所定の関係に従って、水素インデクッス及びLh又はLepiの値を結合する、ことを包含していることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項22乃至29の内のいずれか１項において、前記結合するステップが、周囲の地層の水素インデクッス及び中性子減速長を決定し、該減速長と実質的に同一の水素インデクッスで既知の嵩密度の較正地層の中性子減速長との差を決定し、且つ周囲の地層の嵩密度の測定値を得るために中性子減速長差を較正地層に対する密度減速長感度比と結合させる、ことを包含していることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、大略、坑井を穿孔するのと同時的に地表下の地層の探査に関するものであって、更に詳細には、穿孔作業中に中性子加速器をベースとした測定を行なう方法および装置に関するものである。最も広義の側面においては、本明細書に開示した技術のあるものは、更に、ワイヤライン検層にも関するものである。
中性子源からの距離に関する中性子束の減衰によって坑井周りの地表下の地層の多孔度の測定はワイヤライン検層において公知である。特に、浅熱水検層ツール（装置）は地層中の水素密度即ち濃度に影響を受け易い。地層流体中に水素が通常存在しているので、水素濃度は孔空間の量に関連しており、従ってその地層の多孔度に関連している。然しながら、与えられた多孔度の場合に、母材密度が増加すると（同一の母材化学組成を維持）、浅熱水中性子検知器カウントレート（例えば、発生源と検知器との間隔が60cm）を減少させる場合がある。このカウントレートにおける変化は、与えられた母材密度に対して多孔度が増加した場合に発生するのと同一の方向である。従って、中性子多孔度測定それ自身は未知の組成の地層の多孔度を明確に決定することは不可能である。
従って、ワイヤライン検層においては、中性子多孔度ツールと同一の深さ間隔にわたり電子からのガンマ線のコンプトン散乱に基づく２番目のツールを稼動させることにより興味のある地層の嵩密度測定を行なうことが従来行なわれている。母材密度における増加は、更に、密度ツールにおける検知器カウントレートにおける減少を発生させる。一方、与えられた母材密度に対し多孔度が増加すると、密度ツール検知器のカウントレートは増加する。従って、母材密度及び多孔度における変化は、中性子多孔度及びコンプトン散乱密度ツールに関し相補的な効果を有しており、その効果はこれらの２つのツールの応答をクロスプロット（cross  plot）することによってオフセットさせることが可能である。このようなクロスプットを使用することによって、物理現象を解き明かすことが可能であり且つ母材密度及び組成（岩層構造）における変化を決定することが可能である。母材の小孔空間内へのガスの侵入も中性子多孔度及び密度ツール応答に影響を与えることが可能であるので、ある状況下においては、中性子／密度クロスプロットによってガスの存在を検知することが可能である。
このようなワイヤライン多孔度及び密度検層ツールは地下の地層に関し非常に有用な情報を与えるものであるが、それらは、必然的に、ボアホールすなわち坑井が穿孔され且つドリルストリングが取り除かれた後においてのみ使用されるものであり、それは坑井が形成された後数時間又は数日後である場合がある。その結果、地層及び坑井は変化し、そのような変化が探査中の重要な油層岩石物理的特性を隠蔽するか又は不明瞭なものとさせる場合がある。例えば、地層中への穿孔流体の侵入及び坑井壁上でのマッドケーキの形成の両方が、ガンマ線嵩密度測定及び中性子多孔度測定の両方を含む多くの検層測定に悪影響を与える場合がある。両方の測定は、更に、マッドケーキ密度、及び発生した可能性のある坑井壁の崩壊によって影響を受ける。ワイヤラインツールの更なる欠点としては、穿孔時間の喪失及びワイヤラインツールを坑井内へ下降させることを可能とするためにドリルストリングのトリッピングの費用及び遅延等がある。従って密度及び中性子多孔度測定、及びその他の興味のある測定を穿孔動作期間中に行なうことが可能である場合には極めて有益的なものである。
従来技術においては、穿孔中に原子核（ガンマ線密度又は中性子多孔度）地層評価を与えるための努力がなされており、例えば、米国特許第4,596,926号、第4,698,501号、第4,705,944号、第4,879,463号、第4,814,609号等を参照すると良い。然しながら、従来の嵩密度測定技術は典型的に137CSアイソトープ源であるガンマ線源を必要とする。従来の中性子多孔度測定技術も、同様に、例えばAmBe等のアイソトープ化学源を使用している。このような放射線化学源は放射線の安全性に関する観点から明らかな欠点を有している。このことは、特に、穿孔中の測定適用例において懸念事項であり、その場合には、操作条件が、ワイヤライン操作におけるよりも発生源の喪失が起こり易く且つその検索は一層困難なものとしている。勿論、上述した穿孔中の測定に関する従来技術の特許はそのような化学源の喪失を防止するか、又は、喪失した場合にはその回収に関しかなりの部分焦点を当てている。
例えば米国特許第4,760,252号（Albats  et  al.）に見られるように、加速器をベースとしたワイヤライン多孔度ツールが最近開発されているが、このようなツールは大量のスチール及びこれらの適用例において存在する穿孔流体のツール応答に関する擾乱効果のために穿孔中の測定適用例へ直接的に変換させることはできない。更に、密度検層のための137Csガンマ線源に対する実際的で且つ経済的な加速器をベースとした代替物は現在存在しない。従って、従来の中性子多孔度及び嵩密度ツールの放射線化学源に対する条件を取り除いた加速器をベースとした穿孔中の測定用ツールに対する必要性が存在している。
従来技術の前述した及びその他の条件は、本発明によれば、ドリルストリングのドリルカラーセクションにおける高エネルギ（好適には14MeV）中性子加速器及び周囲の地層の中性子照射から発生するラジエーション即ち放射を測定するために加速器から離隔されている少なくとも１個の放射線（中性子又はガンマ線）検知器を有する穿孔中の測定装置及び方法を提供することによって充足される。好適実施例においては、中性子源フラックスをモニタするための近距離中性子検知器、主に地層水素濃度に応答する中距離浅熱水中性子検知器、及び該浅熱水中性子検知器よりも地層密度に対して一層応答性のある遠距離検知器がドリルカラー内に設けられている。近距離検知器出力は発生源強度変動に対する他の検知器出力を正規化するために使用される。正規化された中距離浅熱水中性子検知器出力及び正規化された遠距離検知器出力は概念的には従来の中性子多孔度−密度クロスプットと類似した態様で結合して、地層多孔度、嵩密度及び岩層構造の測定を得及び／又はガスを検知する。該測定値は坑井深さ及び坑井内の角度即ち方位角方向の関数として行なわれ且つ記録される。
近距離検知は、好適には、地層から発生する中性子に対して実質的に影響を受けないように、中性子減速−吸収物質によって遮蔽された浅熱水中性子検知器である。一方、それは、例えば4He検知器又は高インピーダンス物質によって遮蔽された液体シンチレータ中性子検知器等のMeV中性子検知器を有することが可能である。中距離浅熱水中性子検知器は、検知器アレイを形成する多数の同様の距離の検知器のうちの１つとすることが可能である。該アレイは、向上させた水平方向の分解能を与えるために、ドリルカラーの内壁周りに円周方向に離隔させた複数個の同様の浅熱水検知器を有することが可能である。１つ又はそれ以上のガンマ線検知器及び／又は熱中性子検知器も、所望により、該アレイ内に設けることが可能であり、該アレイ検知器は垂直方向の分解能を改善するために垂直方向に離隔させることが可能である。遠距離検知器は、好適には、ガンマ線検知器であるが、例えば4He又は液体シンチレータ検知器等の高エネルギ（＞0.5MeV）中性子検知器を有することも可能である。一方、遠距離ガンマ線及び遠距離中性子検知器の両方を設けることも可能である。液体シンチレータが使用される場合には、中性子とガンマ線の両方を検知すべく構成することが可能である。
中性子加速器及び近距離検知器は、好適には、同軸上に整合させ且つドリルカラーの片側へ偏心させて、ドリルカラーの反対側に穿孔流体チャンネルを収容させる。地層に対する感度を向上させるために、アレイ検知器は、好適には、ドリルカラーの内壁に対して偏心されており且つ坑井及びドリルカラー輸送中性子に対して後方遮蔽されている。遠距離検知器は、好適には、加速器及び近距離検知器と同軸状である。それも、また、坑井及びドリルカラーに沿って流れる中性子に対して遮蔽されている。
中性子透明窓が、好適には、アレイ内の各中性子検知器に対向して設けられており、地層感度を更に向上させ且つ探査深さを増加させる。該中性子窓の好適な較正は、ドリルカラー内への中性子のリークを最小とするために、ボロン又はその他の中性子吸収性物質で外装した例えばチタン等の低散乱性断面物資を有するものである。中性子窓の位置に開口を形成した外部中性子吸収層もドリルカラー内への中性子の流れを更に減少させるために設けることが可能である。別の中性子窓構成としては、長手軸方向及び／又は円周方向の中性子の流れを減衰させるためにドリルカラー内に横方向及び／又は長手軸方向の中性子吸収物質からなる層を設けることが可能である。
前述したクロスプロット技術に加えて、所望により、その他の興味のある情報を得るために、中距離検知器出力及び遠距離検知器出力を別々に処理することが可能である。例えば、多孔度及びスタンドオフ（standoff）の測定は、アレイ浅熱水中性子検知器によって発生される減速時間曲線から派生させることが可能であり、且つ地層の化学的組成に関する情報はアレイガンマ線検知器で記録したガンマ線エネルギスペクトルの分光分析から得ることが可能である。このような分光分析は、別法として、遠距離検知器の出力に基づくものとすることが可能であり、その場合には、その検知器がガンマ線を検知する。熱中性子検知器出力は地層巨視的捕獲断面積を決定する上で且つスタンドオフを測定する上で有用である。熱中性子巨視的捕獲断面積、又はその相関物である熱中性子減衰時定数もガンマ線検知器出力から決定することが可能である。これらの付加的な測定はそれ自身又は基本的なクロスプロット表示を解釈する上で有用である。
本発明の目的、特徴及び利点は、添付の図面に関連し以下の代表的な実施例の説明から更に理解することが可能である。
図１は本発明に基づいて構成され且つ回転穿孔プラットホームから懸垂されているドリルストリングを含む穿孔中の測定装置の一実施例の一部ブロック形態とした概略図である。
図２は中性子加速器及び関連する放射線検知器を含むダウンホール測定副組立体の一実施例の一部概略図で示した縦断面図である。
図３はドリルカラーと相対的な近距離検知器の好適な位置を示した図２における３−３線に沿ってとった水平断面図である。
図４はドリルカラーと相対的なアレイ検知器及び関連する中性子窓の１つの形態を示した図２における４−４線に沿ってとった水平断面図である。
図５はアレイ浅熱水中性子検知器及びそれと関連する中性子窓の別の形態を示した部分的水平断面図である。
図６は中性子窓の別の実施例を示したダウンホール測定副組立体の別の実施例の部分的縦断面図である。
図７は図６の中性子窓の外部形態を示した図６における７−７線に沿ってとった外部図である。
図８は中性子窓の別の実施例の外部形態を示した図７と同様の外部図である。
図９は図２の加速器をベースとしたツールのモンテカルロモデル化から決定した遠距離ガンマ線又は中性子検知器に対する正規化した逆フラックス対近距離浅熱水中性子に対する逆正規化フラックスのクロスプロットである。
図10は図２の加速器をベースとしたツールのモンテカルロモデル化から決定した幾つかの標準的な岩層の構造における異なる中性子及びガンマ線エネルギ及び発生源／検知器感覚における逆フラックス対水素インデックスのクロスプロットである。
図11は幾つかの標準的な岩層構造における遠距離検知器に対する逆eV及びMeV中性フラックス対逆Ev又はMeV減速長さのクロスプロットである。
図12は３つの標準的な岩層構造におけるeV及びMeV中性子エネルギ範囲の両方における中性子減速長さ、対水素インデックスルのクロスプロットである。
図13は３つの標準的な岩層構造における遠距離検知器においての正規化逆MeVフラックス体アレイ検知器における正規化した逆浅熱水中性子フラックスのクロスプロットである。
図14Aは多孔性砂岩の水素インデックス及び化学的元素の関数としての浅熱水中性子密度−減速長さ感度化の表面表示である。
図14Bは多孔性砂岩の水素インデックス及び化学的元素の関数としてのMeV中性子密度−減速長さ感度比の表面表示である。
図15Aは図14Aの表面表示の投影である。
図15Bは図14Bの表面表示の投影である。
図16は部分的にガスで飽和した地層及び部分的にカオリナイト粘土を担持する地層に対する平均密度−減速長さ感度比対水素インデックスのクロスプロットである。
本発明は、穿孔中の測定適用例において特定の有用性を有しており、且つこのような適用例は図面の図１に例示してある。その点に関し、且つ特にそうでないと断りがない限り、穿孔中の測定（穿孔中の検層としても知られている）という本明細書において使用されている用語は、ドリリング即ち穿孔、ポージング即ち休止及び／又はトリッピング期間中に、坑井内のドリルビット及びドリルストリングの少なくとも幾つかで、地層内においてデータの記録及び／又は測定を行なうことを含むことを意図している。然しながら、本発明のある側面はワイヤライン検層にも適用を有するものであることが理解される。
図１に示したように、プラットホーム及びデリック10が回転穿孔によって地中内に形成したボアホール即ち坑井12上方に位置されている。ドリルストリング14が坑井内に懸垂されており且つその下端部にドリルビット16を有している。ドリルストリング14及びそれに取付けられているドリルビット16は、ドリルストリングの上端におけるケリー20と係合する回転テーブル18（不図示の手段によって付勢される）によって回転される。ドリストリングは移動ブロック（不図示）へ取付けられているフック22から懸垂されている。該ケリーは回転スイベル24を介して該フックへ接続しており、スイベル24は該フックと相対的にドリルストリングの回転を可能とさせる。一方、ドリルストリング14及びドリルビット16は「トップドライブ（top  drive）」即ち上部駆動型の穿孔リグによって表面から回転させることが可能である。
穿孔流体即ち泥水26がデリック10に隣接した泥水ピット28内に収容されている。ポンプ30がスイベル24におけるポートを介してドリルストリング内へ穿孔流体をポンプ動作し、ドリルストリング14の中心を介して下方向へ流す（矢印32で示してある）。穿孔流体はドリルビット16におけるポートを介してドリルストリングから流出し、次いでドリルストリングの外側と坑井周辺部との間の環状部内を矢印34で示したように上方へ循環する。その際に、穿孔流体はビットを潤滑し且つ地層切除部を地表へ運ぶ。地表においては、穿孔流体が泥水ピット28へ帰還されて循環される。所望により、ペントハウジング又はオフセットサブを具備する泥水モータを有する指向性穿孔組立体（不図示）を使用することも可能である。
ドリルストリング14内に装着されており、好適にはドリルビット16近くに装着してボトムホールアセンブリ（大略参照番号36で示してある）が設けられており、それは測定を行ない、情報を処理し且つ格納し且つ地表と通信を行なうための複数個の副組立体を有している。好適には、ボトムホールアッセンブリはドリルビット16の数個のドリルカラー長さ内に位置されている。図１に例示したボトムホールアッセンブリにおいては、スタビライザカラーセクション38がドリルビット16のすぐ上に設けられており、それに続いて上方向に、ドリルカラーセクション40、別のスタビライザカラーセクション42及び別のドリルカラーセクション44が設けられている。このドリルカラー及びスタビライザカラーの配列は単に例示的なものであって、勿論その他の配列を使用することも可能である。スタビライザカラーに対する必要性又はその所望性は穿孔条件に依存する。図１に示した実施例においては、ダウンホール測定副組立体の構成要素は、好適には、スタビライザカラー38上側のドリルカラーセクション40内に位置されている。このような構成要素は、所望により、ドリルビット16へ一層近くに又はそれより遠く離れて位置させることが可能であり、例えば、スタビライザカラーセクション38又は42又はドリルカラーセクション44内に位置させることが可能である。
ボトムホールアッセンブリ36は、更に、地表とのデータ及び制御の通信のためのテレメトリ副組立体（不図示）を有している。このような装置は、任意の適宜のタイプのものとすることが可能であり、例えば米国特許第5,235,285号に開示されているような泥水パルス（圧力又は音波）テレメトリシステムとすることが可能であり、それはデータ測定センサから出力信号を受取り且つこのような出力を表わすコード化した信号を地表へ送信し、そこで該信号が検知され、受信器サブシステム46内においてデコードされ且つプロセサ48及び／又はレコーダ50へ付与される。プロセサ48は任意の適宜のプログラムされたデジタル又はアナログコンピュータを有することが可能であり、且つレコーダ50は、好適には、坑井深さの関数として通常の視覚的及び／又は磁気的データ記録を行なうための従来のレコーダ・プロッタを有している。例えば前述した米国特許第5,235,285号において開示されているように、ボトムホールアッセンブリ36と下方向への通信を確立するために地表送信機サブシステム52を設けることも可能である。
ボトムホールアッセンブリ36は、好適には、更に、加速器及びデータ測定用センサの動作のタイミングを取り、測定用センサからのデータを格納し、該データを処理し且つその結果を格納し、且つそのデータのいずれか所望の部分を地表へ送信するためにテレメトリ構成要素へ結合させることの可能なマイクロプロセサシステム（関連するメモリ、クロック及びタイミング回路、及びインターフェース回路を具備）を有する従来のアクジション及び処理エレクトロニクス（不図示）を有している。一方、データはダウンホールで格納し且つドリルストリングを取り除いた後に地表で検索することが可能である。これらの目的のための適宜のダウンホール回路は、米国特許第4,972,082号及び第5,051,581号に記載されている。測定副組立体、データアクジション及び処理副組立体、及びデータテレメトリ副組立体の間の電気的接続及び信号送信を簡単化するために、これらの構成要素は、好適には、ドリルストリング内において互いに隣接して位置されている。このことが可能でない場合には、短い距離にわたって局所的なダウンホール通信とダウンホールから地表への通信の両方を与える前述した米国特許第5,235,285号のデータ通信システムを使用することが可能である。ダウンホールエレクトロニクス用のパワーは、バッテリによるか、又は、当該技術分野において公知の如く、穿孔流体によって駆動されるダウンホールタービン発電機によって与えることが可能である。
ダウンホール測定組立体の好適実施例は図２乃至４に示してあり、この場合には、ドリルカラーセクション40はステンレススチールのツールシャシー54を取り囲んでいる状態が示されている。ドリルカラーは任意の適宜の寸法のものとすることが可能であり、例えば外径が８インチで内径が５インチのものとすることが可能である。シャシー54内において図３及び４に最もよく示してあるようにその長手軸の片側には、ドリルストリングを介して下方向へ穿孔流体を給送するための長手方向に延在する泥水チャンネル56が形成されている。シャシー54の反対側に偏心して中性子加速器58と、それと関連する制御及び高電圧エレクトロニクスパッケージ64及び同軸状に整合された近距離検知器62が設けられている。該加速器は、好適には、当該技術分野において公知の如くＤ−Ｔタイプ（14MeV）供給源である。
本発明によれば、近距離検知器62は最小の地層の影響で加速器出力に主に応答すべきである。その目的のために、検知器62は浅熱水中性子検知器、例えば3He比例係数器を有することが可能であり、それは間に高密度遮蔽を介在させることなしに加速器へ近接して位置されている。検知器62の感応体積は、検知スレッシュホールドを浅熱水レベルへ上昇させるためにカドミウム又はその他の高熱中性子捕獲断面積物質（不図示）内に被覆されている。検知器62は、更に、好適には、加速器58に隣接した部分を除いて全表面が、エポキシ（又はその他の水素物質）バインダ（「D4CE」）内に分散させた炭化硼素（又はその他のl/v型吸収体）等の結合させた中性子減速用−中性子吸収用物質からなるシールド（遮蔽体）64によって取り囲まれている。このような近距離3He検知器に対するシールドの構造及び機能に関するより詳細な情報は米国特許第4,760,252号に記載されている。
一方、近距離検知器62は、検知器を地層から遮蔽し且つ検知器に入射する非地層中性子の数を増殖させる両方のためにタングステン、重金属又はその他の高インピーダンス遮蔽によって取り囲まれている例えば4He検知器等の一層高いエネルギ（MeV）の検知器とすることが可能である。この増殖効果は高インピーダンス物質の大きな（n,2n）及び（n,3n）断面に起因するものであり、それは14MeV供給源中性子を約6MeVより下の２つ又は３つの中性子へ変換し、その場合に4He散乱断面は大きい。従って、高インピーダンス遮蔽は、近距離検知器信号の感度を地層散乱中性子へ減少させるばかりか、それは、又、実効的にツールに沿っての供給源（14MeV）中性子フラックスを減衰させる。
以下に説明するように、遠距離中性子検知器がB4CE（又は同様の減速用−吸収用）物質内に遮蔽されている場合には、B4CE内の水素の減速パワーを使用して中性子のエネルギを更に減少させることが可能であり、一方ボロンの吸収パワーは低エネルギ中性子フラックスを減衰させるべく作用する。遮蔽用物質の順番、即ち中性子供給源近くに高インピーダンス物質及びそれに続くB4CE（又は同様の）物質は重要である。何故ならば、その逆の順番は高エネルギ中性子を遮蔽するのに効果がないからである。
近距離検知器62dがeV検知器であるか又はMeV検知器であるかに拘らず、検知器エネルギ、配置及び近距離検知器の遮蔽の結合効果は、検知器出力を地層多孔度に比較的影響されず且つ主に加速器からの中性子フラックスに比例するものであるようにすべきである。従って、近距離検知器62の出力は供給源強度変動に対しその他の検知器出力を正規化するために使用することが可能である。
近距離検知器62に長手方向に隣接して複数個の即ちアレイの検知器66a,66b,66c,66dが位置されている。該アレイは、少なくとも１個、且つ、好適には、１個の超えた数の浅熱水中性子検知器及び少なくとも１個のガンマ線検知器を有している。１つ又はそれ以上の熱中性子検知器もオプションとして設けることが可能である。図４に例示したように、２個の浅熱水検知器66a及び66b、１個の熱中性子検知器66c及び１個のガンマ線検知器66dが設けられている。所望により、異なる数又は混合させた検知器を設けることが可能である。
浅熱水中性子検知器66a,66bの主要目的は、例えば嵩密度を支配する酸素、シリコン、カーボン、カルシウム等のより重い地層岩層の検知器出力に与える影響を最小とするか、又は少なくとも著しく減少させるために、及び地層水素の検知器出力に与える影響を最大とするか、又は少なくとも著しく向上させるために、中性子供給源に充分に近接した距離で地層内の浅熱水中性子フラックスを測定することである。そのように位置決めされると、浅熱水検知器応答は、主に水素インデックスに依存し、残留岩層構造効果を有するに過ぎない。地層に対する感度を向上させるために、3He比例係数器とすることの可能な浅熱水検知器66a,66bは、好適には、ドリルカラー壁に密接して位置されており且つ坑井中性子感度を減少させるために68a及び68bで示したように後方遮蔽されている。遮蔽物質は、好適には、近距離検知器62に関連して前述したものと同一のもの、即ちカドミウム被覆及びB4CEである。以下に更に詳細に説明するように、中性子透明窓70a及び70bは、好適には、更に検知器感度を向上させるため及びより大きな探査深さを与えるために、ドリルカラー内に形成されている。
図４に示したように、浅熱水中性子検知器66a,66b及びそれと関連する窓70a,70bは、好適には、向上させた角度即ち方位角分解能のためにドリルカラー40の円周方向に離隔されている。該検知器の任意の所望の円周方向間隔を使用することが可能である。検知器66a,66bは加速器58からの同一の長手方向距離に示してあるが、向上させた垂直分解能のために異なる長手方向距離において１つ又はそれ以上の付加的な検知器を設けることが可能である。円周方向及び水平方向に離隔させた検知器アレイ、及び個々の検知器の形態及びそれらの遮蔽に関する更なる詳細は、米国特許第4,760,252号及び第4,972,082号により詳細に記載されている。米国特許第4,972,082号に記載されているような減速時間測定の高空間分解能は本発明に基づく減速時間の方位角測定を特に興味があり且つ価値のあるものとしている。注意すべきことであるが、米国特許第4,760,252号及び第4,972,082号に記載されている供給源／検知器間隔はワイヤラインツールに対するものである。検知器はドリルカラーを介して地層を見ているという事実を考慮するために、穿孔中の測定の場合には幾分長めの間隔を与えるべきである。
熱中性子検知器66cも、同様に、検知器を地層熱中性子に対して感度があるものとさせるために地層側においてカドミウム被覆を省略した点を除いて、浅熱水検知器66a,66bと同様に68cにおいて遮蔽した3He比例係数器とすることが可能である。熱検知器66cに隣接してドリルカラー44内に中性子透明窓70cを設けることが可能である。所望の水平方向及び／又は垂直方向分解能を得るために、必要に応じて、付加的な熱中性子検知器を設けることが可能である。熱中性子検知器66cからの出力信号は、熱中性子多孔度測定を派生させるために米国特許第4,760,252号の組込み部分に記載されているように及び／又は地層シグマ及びスンタドオフの測定を派生させるために米国特許第5,235,185号の開示に従って処理することが可能である。
ガンマ線検知器66dは、例えばNaI,BGO,CsI,アントラセン等の任意の適宜のタイプの検知器を有することが可能であるが、好適には、米国特許第4,647,781号及び第4,883,956号に記載されているようなセリウム活性化カドリニウムオルトシリケート（GSO）検知器である。これらの特許に記載されているように、GSO検知器は、好適には、検知器応答に関する熱的及び浅熱水中性子の影響を減少させるために硼素によって取り囲まれている。又、検知器に入射する高エネルギ中性子のフラックスを減少させるために、加速器58とGSO検知器66dとの間にタングステン又はその他の高密度遮蔽（不図示）を配置させることが可能である。
図示していないが、加速器58をパルスモードで動作させ且つ非弾性及び／又は捕獲ガンマ線を検知するために必要に応じて選択的に検知器66dをゲート動作させるために、適宜のタイミング及び制御回路が設けられていることが理解される。エネルギ検知範囲は、好適には、広いものであり、例えば0.1乃至11MeVである。検知器66dの主要目的は、非弾性及び／又は捕獲ガンマ線エネルギスペクトル及びエネルギ窓カウントレートを与えることである。特にエネルギスペクトルは、探査中の地層の元素組成に関する情報を派生するために分光分析することが可能である。元素分光及び岩層構造情報を得るために、ガンマ線検知器66dから分光データを解析するための好適な技術は米国特許第5,440,118号（Roscoe）に記載されている。
簡単に説明すると、Roscoeの開示によると、非弾性散乱ガンマ線スペクトルを最小二乗スペクトル当てはめプロセスによって解析し、未知の地層内に存在するものと仮定されており且つ該地層からの測定されたスペクトルに対して貢献する単体のそれに対する相対的な岩層貢献分を決定する。シリコン、カルシウム及びマグネシウムに対する相対的な非弾性収量は、これらの元素に対するそれぞれの元素濃度及び地層内の岩層又は例えば砂岩、石灰岩及びドロマイト等の関連する岩石タイプの体積割合の率直な推定値を与えるために較正される。マグネシウム及びカルシウムに対する相対的な非弾性収量の比は、地層のドロマイト化作用の程度の表示を与える。シリコン及び／又はカルシウムに対する較正した非弾性収量に基づいて、測定した熱中性子捕獲ガンマ線スペクトルからの元素収量の較正した推定値を決定することも可能であり、それから、地層岩層構造に関する更なる情報を派生することが可能である。
浅熱水中性子減速時間及び坑井壁からのツールスタンドオフの測定値は、浅熱水中性子検知器66a,66bの出力から派生させることが可能である。ドリルカラー40及びシャシー54内に存在する大量のスチールが中性子に対して長寿命格納シンクとして作用するので、浅熱水中性子減速時間に対する検知器66a,66bの感度は実質的に減少される。従って、穿孔に浅熱水中性子減速時間を測定するためには、適切に較正された中性子窓70a,70bを与え且つ検知器66a,66bを適切に後方遮蔽するため、ドリルカラー40と相対的に検知器66a,66bを適切に位置させることが重要である。図４に示し且つ上述したように、検知器66a,66bの感応体積は、好適には、ドリルカラー40の内壁に密接して隣接し且つドリルカラー内の夫々の中性子窓70a,70bに直接的に対向してツールシャシー54内に装着されている。各検知器は、更に、好適には、ドリルカラーに面した側を除いて、両端及び全ての側部が後方遮蔽されている（B4CE等により）。窓70a,70bは、好適には、チタン又はその他の高強度低散乱断面物質であってボロン即ち硼素内に外装されているものから構成されている。ドリルカラー40内の中性子の侵入を更に減少させるために、窓70a,70bの位置と一致する孔を具備するボロンカーバイド（炭化硼素）層72が、好適には、検知器の領域内においてドリルカラー40の外部上に設けられている。モデリング及び実験データの示すところによれば、このような態様で位置決めされ、遮蔽され且つ窓が設けられた検知器からの多孔度に対する浅熱水中性子減速時間曲線の感度は、窓又は外部ボロン遮蔽のない検知器に対するものよりも一層大きい。
別法として図５に示したように、ボロンカーバイドの後方遮蔽76を有し且つ図４に示したような一致する孔を具備する外部ボロンカーバイド層72を有するドリルカラー40自身内に検知器74を配置させることによって検知器感度を更に向上させることが可能である。この組み合わせは実現可能なものであるが、ドリリング即ち穿孔期間中に検知器を損傷させるより大きな危険性に露呈させ且つ検知器受け部を形成するためにドリルカラーの機械加工を必要とする。
図４に示したようなボロンで外装した中性子透明窓70a,70bを使用することの別法として、浅熱水中性子検知器66a,66bの減速時間及びカウントレート感度は、浅熱水中性子検知器の領域内においてドリルカラー40内にボロン又はその他の高吸収性断面物質からなる横方向の層を設けることによって向上させることが可能である。これは図６乃至８に示してある。図６は図４に示したように後方遮蔽されており且つドリルカラー壁に対して偏心させた浅熱水中性子検知器78を示している。複数個の横方向ボロンカーバイド層80がカラー壁内に埋め込まれており、そこで、それらは「ベネチアンブラインド」として作用し、中性子がカラーを横断して検知器へ横方向へ移動することを可能とすると共に、中性子がカラーに沿って流れることを阻止する。図７は図６のボロンカーバイド層80の外部パターンを示している。ボロンカーバイド層82の別のパターンを図８に示してある。このパターンは、横方向流れと干渉することなしに、長手軸方向及び円周方向の両方においてカラーを介しての中性子の流れを最小とすべく作用する。従って、ボロンカーバイド層80及び82は、基本的には、浅熱水又は熱中性子検知器に対する中性子窓として機能する。
図６乃至８に示したような中性子吸収用層を使用することは、例えばチタン等の低散乱性断面物質における中性子の流れを減少させるために特に重要であることが判明した。低散乱性断面物質は、中性子に対するその相対的な透明性のために、又その密度が低いために、スチールと同程度にドリルカラーの円周方向又は平行な中性子の輸送成分を減衰させるものではないので、穿孔中の測定適用例におけるドリルカラー物質として望ましいものである。更に効果を高めるためには、ボロンカーバイド層を、中性子検知器の加速器側又は両側においてツールシャシー54内に設けることが可能である。
再度図２に示した全体的な測定副組立体形態を参照すると、遠距離検知器84はアレイ検知器66a−66dの下流側に位置されておりその間に中性子遮蔽86が介在している。検知器84及び遮蔽86は、好適には、加速器58と同軸上である。本発明によれば、遠距離検知器84は地層内の比較的遠い距離へ浸透するMeVエネルギ中性子（又は、好適には、MeV中性子誘起型ガンマ線）に対して感度があるように中性子供給源と相対的に選択的に位置決めされている。MeVエネルギ中性子の輸送は、KeV−eVエネルギ中性子と比較して、より重い地層岩層の密度に対し向上した感度を有しており且つ地層水素含有量に対する減少した感度を有しているので、検知器84の応答は地層嵩密度によって、及び密度と母材タイプとの間の密接した関係のために、地層岩層構造によって強く影響を受ける。
好適には、検知器84は前述した米国特許第4,647,782号及び第4,883,956号に記載されているようなGSOガンマ線検知器を有しているが、許容可能なカウントレート及びエネルギ分解能が達成される限り、例えばアントラセン、NaI、BGO、CsI等の任意の適宜のタイプのものを使用することが可能である。好適なエネルギ検知範囲は0.1MeV乃至11MeVである。別法として、例えば0.5MeVより大きなMeV範囲の中性子に感度を有する中性子検知器を使用することが可能である。好適な中性子検知器は4Heタイプ又は液体シンチレータタイプである。
ガンマ線検知器が遠距離検知器84として使用される場合には、中間に存在する遮蔽86は、好適には、B4CE又は同様の中性子減速−吸収性物質である。MeV中性子検知器が使用される場合には、遮蔽86は、好適には、近距離検知器62も高インピーダンス（high−ｚ）物質によって遮蔽されている4He（又はその他のMeV検知器）である箇所を除いて、例えばタングステン等の高インピーダンス物質である。後者の場合には、近距離検知器62を取り囲む高インピーダンス遮蔽物質64の前述した中性子減速効果を完全に利用するために遮蔽86もB4CE等とすべきである。
遠距離検知器84はガンマ線検知器か又はMeV中性子検知器のいずれかとすることが可能であるが、ガンマ線はある状態においては中性子よりもガス即ち気体に対してより良好な感度を有しており、その際にガスを担持する地層の識別を容易とさせるので、ガンマ線検知器が好適である。又、アレイガンマ線検知器66dに関連して上述した如く、ガンマ線検知器を使用することは、分光分析を行なって地層の元素組成及び岩層構造の情報を得ることを可能とする。このような分光分析はアレイ検知器66d及び遠距離検知器84の両方又は一方のみにおいて行なうことが可能である。いずれかの（又は両方の）ガンマ線検知器の出力は、更に、熱中性子に対する地層巨視的捕獲断面（Σ）又はその相関物であり熱リュートロン（lieutron）減衰時定数（τ）の測定値を派生するために使用することが可能である。Σ又はτを派生するための公知の技術のいずれかをこの目的のために使用することが可能である。又、遠距離検知器84がガンマ線検知器である場合には、空間又はその他の考慮事項によってはアレイガンマ検知器を省略することが可能である。
所望により、第二の遠距離検知器（不図示）を設けることが可能である。その場合には、好適には、検知器84に密接して隣接させ且つ同軸状に位置させる。検知器84がガンマ線検知器である場合には、第二遠距離検知器は好適には中性子検知器であり、且つその逆も又真である。
特に図示していないが、上述した検知器は、全て、検知したラジエーション即ち放射を表わす出力信号を発生するために必要な増幅、パルス整形、電源及びその他の回路を有している。これらの全ての回路は当該技術分野において公知である。
ツール内に設けた幾つかの検知器からの信号は所望の輸送岩石物理情報を得るために種々の態様で処理することが可能である。前述した如く、近距離検知器62の出力は中性子供給源出力に比例しており且つ主に供給源強度変動に対しその他の検知器出力信号を正規化するために使用される。
アレイ浅熱水中性子検知器66a,66bの出力は、主に水素インデックス、従って、多孔度に対して感度を有し、且つ、本発明の特徴の１つによれば、地層密度、多孔度及び岩層構造に関する情報を派生し且つガスを検知するために遠距離検知器84の出力と結合して使用される。基本的な信号処理方法は、近距離検知器62からのカウントレートN1によって正規化した中性子フラックスA1（検知器66a又は66bからのカウントレート）、即ち（A1/N1）-1、及び遠距離ガンマ線又はMeV中性子検知器84からの夫々の同様の正規化した逆カウントレート（F1g/N1）-1又は（F1n1N1）-1を使用する。説明するように、これらの量は水素インデックスHI、減速長さ（eV又はMeV）及び地層の岩層構造を決定するために幾つかの態様で使用することが可能である。本発明の別の特徴として、減速長さ及び水素インデックスは地層の嵩密度を派生するために使用することが可能である。最後に、嵩密度の決定は、近距離ガンマ分光検知器66dから得られる岩層構造情報によって改善させることが可能である。
逆正規化フラックスの最も簡単な使用方法は、それをクロスプロットさせることである。このようなクロスプロットを図９に示してあり、その場合には、逆フラックスは、図２に示した加速器をベースとしたツールのモンテカルロモデリングから得られている。図９のクロスプロットは、概念的には、標準的な嵩密度及び中性子多孔度ツールの応答に基づく岩層構造及び多孔度決定のためのワイヤライン検層において従来使用されている中性子−密度クロスプロットと同様である。この点に関しては、例えば、Ellis著「地球科学者のための検層（Well  Longging  for  Earth  Scientists）」、Elsevier、1987年、420−421頁を参照すると良い。図９のクロスプロットの解釈は、従来の中性子−密度クロスプロットの解釈と同様である。逆カウントレートが図９においてプロットされており、従ってより高い多孔度はプロットの右上に表われ且つより低い多孔度は左下に表われ、それは従来の中性子−密度クロスプロットと同様である。
図９に示したように、標準的な砂岩、石灰岩及びドロマイト岩層構造に対する多孔度傾向を表わす曲線88,90,92が示されている。測定点94（Flgm,Alm）は、このクロスプロット上にプロットさせることが可能であり、且つその多孔度及び岩層構造は、点線96によって表わされているように、中性子−密度クロスプロットにおける場合のように補間させることが可能である。頁岩岩層構造及びガス担持地層は、中性子−密度クロスプロットにおける場合と同様に、図９のクロスプロット上の同一の相対的な位置に表われるが、それらの正確な位置は中性子−密度クロスプロットにおけるものとは系統的に異なる場合がある。
本発明の一実施例は、アレイ及び遠距離検知器に対する正規化した逆フラックスを使用して水素インデックスHI及びeV減速長Lepi又はMeV減速長Lhを派生する解法である。特に、この技術は、主に水素インデックスに感度を有するが残留岩層構造効果を有するアレイ浅熱水中性子検知器66a,66bの出力、及び水素インデックス及びMeV又はeV減速長に感度を有する遠距離MeV検知器84（ガンマ線又は中性子のいずれか）の出力に基づいている。両方の検知器からのカウントレート信号は、近距離検知器62の出力によって正規化される。この技術の目的のために、遠距離検知器84はeV範囲の中性子に感度を有するべく選択することが可能であるが、MeV範囲内のフラックスは水素インデックスに対してより感度が低いので好適である。従って、水素インデックス測定の精度は、eVフラックスの場合よりもMeVフラックスの場合には重要性が少ない。
図10及び11は、図２に示した加速器をベースとしたツールのモンテカルロモデル化実験装置に対するアレイ浅熱水中性子検知器、遠距離eV及びMeV中性子検知器及びMeV遠距離ガンマ線検知器の応答を示している。モンテカルロシミュレーションは、遠距離ガンマ線検知器における非弾性ガンマ線のフラックスを与える。以下の説明においては、ガンマ線フラックスに対する参照は非弾性ガンマ線を意味している。これらは公知の中性子加速器パルス技術によって捕獲ガンマ線から分離することが可能である。
図10は水素インデックスに対する多数の異なる地層における検知器応答を示している。理解されるように、アレイ浅熱水中性子検知器は、主に水素インデックスに応答する。何故ならば、全てのデータが殆ど岩層構造変化なしでほぼ単一の曲線上に存在しているからである。遠距離ガンマ線検知器及びeV及びMeV中性子検知器は、かなりの岩層構造及び密度依存性を示すと共に水素インデックスへの依存性も示している。
図11は夫々の減速長に対する遠距離検知器におけるeV及びMeV中性子の計算した逆フラックスをプロットしたものである。これらのデータは、地層減速長は遠距離中性子フラックスに影響を与える最も重要な変数であることを示している。同様に、モンテカルロデータを検査すると分かるが、eV減速長は遠距離非弾性ガンマ線カウントに影響を与える最も重要な変数である。
図10及び11にプロットされている夫々のフラックスは、減速長（eV減速長に対するLepi及びMeV減速長に対するLh）及び水素インデックス（HI）の組合わせによって良好に当てはめることが可能であることが示されている。以下の例示的なモデルは、シミュレーションプログラムからの結果に基づくアレイ浅熱水中性子検知器及び好適な遠距離Mev検知器に対して較正したものであるが、所望により、実験結果から較正することも可能である。
アレイ浅熱水検知器モデル：
Log（逆アレイフラックス）＝
−0.8447（HI2）＋2.0598（HI）−12.8878（１）
遠距離MeV検知器モデル：
Log（逆遠距離MeV  フラックス）＝
35.74＊（1/Lh）＋1.159＊（HI）＝16.93（２）
理解されるように、データに対する最良のマッチングを与える目的のためにその他のモデルを使用することが可能である。
１組のアレイ検知器及び遠距離検知器フラックス測定値が与えられると、モデル方程式（４）及び（５）を解き且つ水素インデックス及び減速量の派生値を得ることは簡単明瞭である。
水素インデックス（即ち多孔度）及び減速長を派生するためのクロスプロットに対する別の技術について以下に説明する。
このような技術の１つは、1MeVより高い中性子に対するものと比較して約1MeVより低い中性子に対する地層構成要素のn,p散乱断面における実質的な差異に基づいている。約1MeVより低い中性子の場合には、n,p散乱断面は大きく且つ主に水素原子核との弾性散乱に起因している。従って、中性子減速長は、1MeV又はそれ以下の初期エネルギを有する中性子に対する水素濃度に強く依存している。一方、1MeVより大きな中性子の場合には、n,p散乱断面は迅速に減少し且つ例えば水素、シリコン、カルシウム等のより重い母材元素からの弾性散乱と同等となる。然しながら、これらのより重い母材元素からの弾性散乱は中性子を低エネルギへ減速させる上で比較的効果がない。母材元素との非弾性反応（殆どが非弾性散乱（n,p）及び（n,α）反応）は、高エネルギ領域から中性子を取除く場合により効果的である。従って、高エネルギ中性子（14MeV−＞1MeV）に対する中性子減速長は、母材密度及び化学的組成に対して増加した感度を示し、且つ水素インデックス（多孔度）には弱く依存するに過ぎない。一方、低エネルギ（＜1MeV−浅熱水）減速長は主に水素濃度に感度を有する。
簡単な拡散理論は、次式に従って中性子供給源からの距離ｒに関し高エネルギ中性子フラックスφｈの過激な減少を予測する。
0003647460.tif 000002
尚、Ｓは供給源の強度であり、Σrhは１−14MeVエネルギ範囲からの中性子を除去するための巨視的断面であり、且つLhは高エネルギ減速長である。
異なる供給源／検知器距離r1及びr2においての＞1MeV中性子フラックスの２つの測定値が与えられると、Lhの直接測定を行なうことが可能である。
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尚、φｈ（r1）及びφｈ（r2）は距離r1及びr2の夫々においての＞1MeV中性子フラックス測定値である。
浅熱水中性子フラックスφepiは１つの組分け拡散法における同様の法則に従う。
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尚、Σrsは14MeV−＞浅熱水範囲からの中性子の除去のための巨視的断面であり且つLepiは14MeVから0.5eV（カドミウムカットオフ）への中性子減速長である。
Lepiはいくらか母材への依存性を有しているが、これらの変動のフラックス依存性は2Lepiの供給源／検知器距離において消失する。又、供給源係数Ｓは1MeVフラックス測定を短い供給源／検知器距離における同様の測定で正規化することによって取除くことが可能である。従って、例えば図２における検知器66a等の浅熱水中性子検知器及び例えば図２における検知器62及び84等の２つの離隔させた1MeV検知器の場合には、多孔度（水素インデックス）及びLepi及び／又はLhの両方に対しての測定を行なうことが可能である。次いで、これらの測定値のクロスプロットは、図12に示したように、多孔度及び母材タイプを決定し且つガスを識別することが可能である。
図９の表現法と同様の別の表現法において、近距離MeV検知器（図２における検知器62）のカウントレートによって正規化した遠距離MeV検知器（図２における検知器84）からの逆中性子カウントレートを、近距離MeV検知器からのカウントレートによって正規化した2Ls距離にある浅熱水中性子検知器（図２におけるアレイ検知器66a）からの逆中性子カウントレートに対してクロスプロットさせる。このようなクロスプロットは、近距離MeV検知器距離が20cmであり、浅熱水中性子検知器距離が30cmであり遠距離MeV検知器距離が6cmである場合に対して図13に示してある。そこに示されるように、３本の曲線は３つの主要な岩石母材、即ちドロマイト（2.87g/cc）、石灰石（2.71g/cc）及び砂岩（2.64g/cc）に対応している。予測されるように、近距離／遠距離の比及び近距離／アレイの比は、夫々、母材タイプ及び多孔度の殆ど独立的な値を与えている。多孔度及び岩層構造を得るため及びガスを検知するためのこのクロスプロットの解釈は図９に関連して上述したものと同様である。
測定した減速長Lepi又はLh及び測定した水素インデックスHIは、地層の嵩密度を派生するために使用することが可能である。この目的のための１つの技術について以下に説明する。別の技術は米国特許第5,349,184号に記載されている。
以下の説明においては、減速長という用語はLepi又はLhのいずれかのことを言及することが可能であるが、実際の例の場合にはLepiが使用される。減速長、水素インデックス（多孔度と同じ）及び嵩密度がすべて知られている多孔性の石灰石又は砂岩等の標準的な地層から開始し、標準地層の嵩密度における小さな変化とその減速長において結果的に発生する小さな変化との間の比が計算される。この比は密度−減速長感度比と呼ばれる。以下に説明する仮定の下で、その比を使用することが可能であり、従って減速長における小さな変化は嵩密度における小さな変化を計算することを可能とし、それは標準地層の嵩密度へ付加させて測定した地層の嵩密度を決定することが可能である。本発明は減速長及び水素インデックスを測定するので、減速長差は、未知の地層の測定した減速長と該未知の地層に対する測定した水素インデックスと同一の水素インデックスを持った標準多孔性地層の測定した減速長とから計算することが可能である。
既知の元素組成の地層の減速長の計算は解析的又はモンテカルロ方法によって行なうことが可能である。適切な解析的方法はA.Kreft著「岩石及び土砂における中性子減速長の計算（Calculation  of  the  Newtron  Slowing  Down  Length  in  Rocks  and  Soils）」、Nukleonika,19巻、145−156、1974年、「中性子減速長の計算に対するマルチグループアプローチの一般化（Ａ  Generalization  of  the  Multigroup  Approach  for  Calculating  the  Newtron  Slowing  Down  Length）」、インスチチュート・オブ・ニュークレア・フィジックス・アンド・テクニークス（Cracow）レポート32/1、1972年に記載されている。
以下のものは密度−減速長感度比の計算の一例である。Kreftの方法のコンピュータコード具体例を使用して、例えば30pu石灰石（水素インデックスHI＝0.3、嵩密度2.197g/cc、0.033g/cc水素、0.228g/cc炭素、1.176g/cc酸素、0.760g/ccカルシウム）等の標準地層の浅熱水中性子減速長は13.27cmと計算される。最初のものと同様であるが例えばアルミニウム（水素インデックスHI＝0.3、嵩密度＝2.247g/cc）等の一般的な地層岩層が0.05g/cc付加されている同様の地層の浅熱水減速長は13.08cmと計算される。結果的に得られる減速長の間の差はdLepi＝−0.19cmである。この差は入力したアルミニウム密度0.045g/ccにおける差から発生している。密度−減速長感度比は減速長における百分率変化であり、即ち−0.19/13.27＝−1.43％を密度における百分率変化2.27％で割り算したものであり、その比は−0.63である。図14A及び14Bは、多孔性砂岩の及びその密度が多孔性砂岩元素組成と相対的に変化する元素の水素インデックスの表面関数として、浅熱水及びMeV減速長に対するこれらの比を夫々示している。これらの表面の投影は図15A及び15Bに示してある。多孔性石灰石に対して計算した密度−減速長感度比は砂岩に対するものと非常に類似している。
平均密度−減速長感度比は、標準多孔性地層と同一の水素インデックスを有する任意の地層に対して計算することが可能である。この比は密度が異なる各元素に対する感度比にわたっての重み付け平均である。重み付けは各元素に対する密度差に比例する。図16は水素インデックスの関数としての２つの典型的な地層に対する浅熱水比を示している。これらの地層は部分的にガスで飽和された地層（0.2g/ccメタンが水を置換）又はカオリナイト粘土（Al4Si4O18H8、密度2.54g/cc）が標準地層を部分的に置換している地層であり且つ多孔性砂岩と相対的に計算される。平均比はガス又は粘土が関与するか否かには殆ど影響されない。従って、例えば0.30（30pu多孔度）の与えられた測定水素インデックスの場合には、密度−減速長感度比は10％の制度で−0.63である。
密度−減速長感度比の重要な特徴は、元素が炭素でない限り、又は浅熱水減速長Lepiのみの場合には、ナトリウム及び塩素でない限り、密度変化を発生する元素によって影響を受けないということである。従って、検層の場合に一般的な多くの地層、例えば上述した地層の場合には、密度−減速長感度比は正確に既知である。この比は標準地層（例えば同一の水素インデックスの多孔性砂岩）と相対的に測定した地層の減速長における百分率差へ適用して、標準地層と相対的な測定した地層の密度の百分率差を計算することが可能である。この百分率差は測定した地層の密度へ通ずる。測定した地層が炭素量（又は浅熱水減速長の場合には塩素及びナトリウム）において標準地層からそれほど異なるものではない場合には、測定した地層の計算した嵩密度は正確である。
本発明の更なる改良として、ガンマ線分光分析から得られ地層の元素組成を使用して適宜の密度感度比の計算を改良することが可能である。
測定副組立体はドリルストリング14と共に回転するので、ドリリング即ち穿孔期間中にツールが回転すると、ツールの角度即ち方位角方向の関数として前述した測定を行なう構成が設けられている。この目的のための種々の方法及び装置が当該技術分野において公知である。例えば、米国特許第5,091,644号は、坑井断面が２つ以上のセグメント、例えば象限へ分割されている方位角測定システムを開示している。ツールが回転すると、それは坑井セグメントを介して通過する。それがセグメント境界を通過する度に、カウンタがインクリメントされ、次ぎのセグメントを指し示す。このことは、例えばガンマ線又は中性子カウントレート等のデータを測定が行なわれた場合に各検知器が通過する夫々のセグメントに従って分離させることを可能としている。このように、各深さレベルにおいて複数個の角度即ち方位各測定を行なうことが可能である。別々のセグメントの測定値を結合して深さレベルに対する平均測定値を与えることが可能であり、又例えば、ウオッシュアウト等の坑井条件がセグメント測定のうちの１つ又はそれ以上が信頼性のないものであることを表わす場合に、それらを別々に処理することが可能である。
1994年１月14日付でJ.M.Holenka  et  al.によって出願され本出願人が所有する同時継続中の米国特許出願第08/183.089号「地層測定用の穿孔中検層方法及び装置。坑井内の角度位置の関数としての特性（Logging  While  Drilling  Method  and  Apparatus  for  Measuring  Formation.Characteristics  as  ａ  Function  of  Angular  Postion  Within  ａ  Borehole）」、においては、坑井内をツールが回転する場合の中性子多孔度、嵩密度及びその他の測定を行ないそれらをツールの方位角位置と関連付ける改良した方法及び装置が開示されている。これらの測定は角度方向のセグメントにおいて行なわれ、それらのセグメントは、好適には、象限であるが、４以上又は以下の数とすることが可能であり且つ同一の角度距離である必要はない。これらの角度セグメントは穿孔中の測定ツールのダウンベクトルから測定される。ダウンベクトルは、好適には、最初に、穿孔中の測定装置の断面を基準として地球の北極に対する１つのベクトルとこのような面を基準とした重力ダウンベクトルとの間の角度φを決定することによって派生される。その目的のために、直交配列型磁力計を設けて継続的に角度φを決定することが可能である。別法として、ドリルストリングへドリルパイプを付加するために穿孔が停止されている場合に穿孔中の測定ツールによって周期的に調査を行なうことが可能である。前述したHolenka  et  al.の開示はスタビライザカラーを有するツール及び有することのないツールの両方へ適用可能である。
本発明を例示的な実施例を参照して記載し且つ例示したが、このような実施例は開示した本発明概念から逸脱することなしに変形及び修正することが可能であることは当業者によって理解される。
【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１４Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５Ａ】
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【図１４Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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