利用脉冲中子仪器的改进岩层密度指示器的方法和设备的利记博彩app

专利名称：利用脉冲中子仪器的改进岩层密度指示器的方法和设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及油气井的测井仪器。尤其是，本发明涉及利用脉冲中子源产生的Y射 线测量岩层密度的仪器。本发明涉及可用于有套管钻孔和无套管钻孔的改进密度仪器。
背景技术：
在石油和碳氢化合物生产中，需要知道包含碳氢化合物贮藏的地下岩层的孔隙 度。在计算含油饱和率和该贮藏内现存油量的体积时，知道孔隙度是至关重要的。在孔隙 度信息是不充分或不存在的旧油井中，为了确定剩余的地下原油和确定是否存在足够的原 油以确认施加增强的恢复方法，知道孔隙度是特别有用的。孔隙度信息也有助于识别井口 气层和区分低孔隙度液体与气体。若岩层密度是已知的，则利用已知的公式可以确定孔隙度。存在各种可以确定贮 藏密度的仪器。如果仪器工作的钻井内有不安装套管的贮藏物，且该仪器能够接触地下媒 体本身，则这些仪器中的绝大多数仪器对于确定贮藏物密度(和孔隙度)是有效的。然而， 一旦在油井中安装了套管，则在放置仪器的钻井内部与岩层本身之间有一层钢和混凝土。 油井套管可以使信号很难在仪器与贮藏物之间传送。此外，水泥可以干扰岩层性质的测量 结果。人们已建议利用化学放射性源的装置以产生响应信号，该装置类似于商品化的无 套管钻孔装置。由于比较复杂的钻孔环境，这在有套管钻孔中是普遍存在的，化学放射性源 仪器有受限的响应，以及诸如研究深度的参数是受到限制的。由于油井套管引入在阻抗，计 数率也是很低的。由于利用强放射性源的安全性问题，增大放射性源的强度是不理想的。在 利用强放射性源时，污染问题也是人们十分关心的问题。此外，大量有套管的钻孔在套管内 包含铺设的管道。在包含管道的钻孔中，因为不能使仪器与钻孔侧面接触，即使化学放射性 源的仪器不是在这种情况下工作，由于发射的粒子需要寻求一个低密度通道，这些粒子就 容易迁移到钻孔侧面与管道之间的环形区。不同的方法涉及检测在岩层中产生的Y辐射以响应高能中子源，它称之为诱导 的Y射线测井。在利用脉冲调节中子源时，两个反应中的一个反应可以产生Y射线，第 一个反应是快中子的非弹性散射(能量在约IMeV以上或在约一个数量级内的中子)。第 二个机构是由于超热中子的俘获(能量约为IeV的中子)。第三个机构是由于热中子的俘 获(能量约为0. 025eV的中子)。快中子的寿命是非常短的(几微秒)，因此，在源脉冲期 间，存在一个混合能量的中子场。在脉冲猝发之后不久，所有的中子减慢到热能水平，且这 些热中子在被俘获之前一直在漂移，其寿命是几百微秒。来自非弹性散射的Y射线是在加 速器邻近产生的，而来自热俘获的Y射线是在远离加速器处(高达几十厘米)分散的。俘 获Y射线的数目是受氢数量和岩层的热中子俘获截面的强烈影响。在非弹性散射中产生 的Y射线数目与这些量没有很大的关系，且这种Y射线的测量结果是与岩层密度有直接 的关系。利用脉冲中子源可以使俘获Y射线与非弹性散射的Y射线分开，从而给出较好 的密度估算。在授予Odom et al.的US5900627和在授予Badruzzaman的US58250M中给出脉冲中子源的例子。传统上，利用两个Y射线检测器进行岩层密度测量。在无套管钻孔的情况下，近 检测器和远检测器所作的密度估算Pss和P U用于得到校正的密度估算，其中利用以下公 式表示的spine and rib方法p-pLS= Ap =f( pLS-pss) ⑴，其中f (.)是非线性函数，它取决于仪器与井壁的间隙或仪器与岩层之间的泥饼 量，并利用定标过程确定。这种双检测器安排能够补偿与井壁的间隙(在MWD应用中)和 泥饼厚度(在钢丝绳应用中)。在利用脉冲中子源时，还必须校正因源强度的变化，因此，二 检测器安排仅仅给出单个密度估算，例如，它基于两个检测器输出的比率。在有套管钻孔中进行测量时，由于存在套管和水泥而使复杂性增大。为了探测岩 层，中子必须从仪器中射出，传送通过套管和水泥并散射，或在形成的Y射线传送之前在 岩层中被俘获，传送返回通过水泥和套管，最后再进入需要被检测的仪器。因此，代替仅仅 是泥饼校正(无套管钻孔的钢丝绳)或井壁间隙的校正(MWD)，有套管钻孔的密度仪器必须 能够校正或补偿水泥和套管，它的影响大于泥饼的影响。授予Moake的US 5525797公开一 种利用化学、射线源的三检测器仪器，它可以校正套管的影响。Moake装置的缺点是需要 相对高能的化学源(安全性问题)，并需要测量Y射线的强度(代替计数率)。Badruszaman公开一个实施例，其中使用与脉冲中子源组合的四个检测器。原则 上，这种方法能够补偿中子源的变化，套管的影响，和泥饼的影响。然而，Badruszaman的技 术缺乏如何精确地测量密度。本发明可以克服这种缺点。

发明内容
本发明的一个实施例是一种用于估算地下岩层的密度的方法。利用地球岩层中钻 井内的中子脉动地球岩层。在钻孔内的至少三个位置上检测由脉动产生的Y射线。在该至 少三个位置的每个位置上产生正比于被检测的Y射线的响应信号。根据至少两对响应信 号中的每对信号，估算岩层的密度。根据该至少两个密度估算，得到改进的岩层密度估算。 通过比较形成该对信号中的两个信号，可以得到每对响应信号的密度估算。这可以利用该 两个信号的比率完成。可以利用与单独导出的密度估算进行比较。利用无套管钻孔中的化 学源或数字模拟，可以得到单独导出的密度估算。利用脊肋法(spine and ribmethod)，其 中两个密度估算来自两对信号，可以得到改进的密度估算。被检测的Y射线可以是中子的 非弹性散射的结果。本发明的另一个实施例是一种用于测量钻井内地下岩层的密度的设备。非化学能 源是在钻井中传送，并产生脉冲中子。至少三个检测器检测由于脉冲中子在岩层中产生的 Y射线，并产生响应于被检测的Y射线的信号。根据至少两对响应信号，处理器得到单独 的密度估算，并根据该至少两个单独的密度估算，处理器得到改进的岩层密度估算。通过比 较形成该对信号中两个信号的f个计数率，处理器可以确定每对响应信号中单独的密度估 算。可以利用计数率的比率。可以利用与单独导出的密度估算进行比较。利用无套管钻孔 中的化学Y射线源或数字模拟，可以得到单独导出的密度估算。利用脊肋法，可以得到改 进的密度估算。被检测的Y射线可以是中子的非弹性散射的结果。可以利用诸如钢丝绳 或钻井管的传送装置以传送中子源进入钻孔。改进的岩层密度估算基本上独立于钻井中的套管，钻井中的泥饼，在钻井孔的套管与钻井壁之间环形区中的水泥，和/或从钻井壁中传 送非化学能源的仪器的间隙。至少一部分的处理器是在地面位置，向下钻进的位置，和/或 远程位置。本发明的另一个实施例是一种计算机可读媒体，用于测量钻井内地下岩层密度的 设备。该设备包括在钻井中传送的非化学能源，该能源产生脉冲中子。至少三个检测器检 测由脉冲中子在岩层中产生的Y射线，并产生响应于被检测的Y射线的信号。该媒体包 含能够确定至少两对响应信号中每对信号的密度估算，根据该至少两个对应的密度估算， 确定改进的岩层密度估算。该媒体可以是ROM，EPROM, EEPR0M，快速擦写存储器，和/或光
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参照附图可以更好地理解本发明，其中相同的数字代表相同的元件，且其中图1是本发明核心测井系统的整体示意图(现有技术)；图2说明利用非弹性散射以及俘获热中子和超热中子产生Y射线的示意图(现 有技术)；图3是说明利用化学Y射线源的无套管钻孔测量的流程图，用于定标利用脉冲中 子源所做的测量；图4是在图2所示仪器中两个检测器的密度与计数比率之间可能的关系曲线；和图5是说明利用冗余测量的流程图，用于钻孔补偿和/或套管补偿。
具体实施例方式图1所示的系统是现有技术的密度测井系统。油井10穿透地球表面，并可以安 装或没有安装套管，它取决于被研究的具体油井。在油井10内设置地下测井仪器12。图 1中的系统是利用多通道比例分析的微处理器基核心测井系统，用于确定被检测的Y射线 的定时分布。测井仪器12包括超长间隔(XLS)检测器17，长间隔(LS)检测器14，短间 隔(SQ检测器16，和脉冲中子源18。在本发明的一个实施例中，XLS检测器17，LS检测器 14和SS检测器16包含合适的材料，例如，耦合到光电倍增管的锗酸铋(BGO)晶体或碘化钠 (NaI)。为了保护检测器系统免遭在钻孔中遇到的高温，检测器系统可以安装在杜瓦瓶中。 这种具体的中子源和杜瓦瓶安排仅仅是作为例子，而不应当把它看成是一种限制。此外，在 本发明的一个实施例中，中子源18包括利用D-T反应的脉冲中子源，其中氘离子被加速成 氚靶，从而产生能量约为14MeV的中子。这种具体类型的中子源仅仅是作为例子，而不应当 把它看成是一种限制。灯丝电流和加速器电压是通过功率源15提供给中子源18。电缆20 悬挂测井仪器12在油井10中，并包含所需的导线，用于电路连接测井仪器12与地面设备。XLS检测器17，LS检测器14和SS检测器16的输出耦合到检测器电路板22，检测 器电路板22放大这些输出，并把它们与可调节的鉴别器电平进行比较，用于传送到通道发 生器沈。通道发生器沈是多通道比例(MCQ部分M中的一个元件，它还包含频谱累加器 观和中央处理单元(CPU)30。利用通道发生器沈产生并与脉冲相关的通道号作为存储器 位置的地址，MCS部分M在频谱累加器28中累加频谱数据。在所有的通道已经有了它们 累加的数据之后，CPU 30读出该频谱或从所有的通道中收集数据，并发送该数据到与电缆20耦合的modem 32，用于通过通信链路传送数据到地面设备。通道发生器沈还产生用于 控制中子源18的脉冲频率的同步信号，而CPU 30的另一个功能是传送控制命令，该控制命 令限定测井仪器12的某些工作参数，其中包括检测器电路板22的鉴别器电平，以及由功率 源15提供给中子源18的灯丝电流和加速器电压。地面设备包括与电缆20耦合的主控制器33，用于从测井仪器12中恢复数据并发 射命令信号到测井仪器12。还有一个与地面设备相关的深度控制器36，深度控制器36给 主控制器34提供信号，该信号指出测井仪器12在油井10内的运动。系统操作员接入主控 制器33，从而允许系统操作员提供被选取的输入，并由该系统完成测井操作。显示器单元 40和大容量存储器单元44也耦合到主控制器34。显示器单元40的主要目的是提供被产 生的测井数据的视觉指示以及系统的操作数据。提供的存储器单元44用于存储该系统产 生的测井数据以及用于检索存储的数据和系统运行程序。可以提供用于发送数据和/或从 远程位置接收指令的卫星链路。在图1所示的测井操作时，主控制器33最初发射由CPU 30执行的系统操作程序 和命令信号，这种程序和信号是与具体的测井操作有关。按照常规的方式，使测井仪器12 传送通过油井10，而脉动地调节中子源18以响应来自通道发生器沈的同步信号。通常，中 子源18的脉动速率是每秒1000个短脉冲串(IKHz)。这可以使数量级为14MeV的高能中子 短脉冲串被引入到被研究的周围岩层中。如在以下参照图2时所讨论的，这种被引入到岩 层中的高能中子分布可以在岩层内产生Y射线，而这些Y射线在不同的时间入射到XLS 检测器17，LS检测器14，和SS检测器16上。当每种Y射线入射到检测器中的晶体光电 倍增管上时，其幅度与具体Y射线能量相关的电压脉冲传送到检测器电路板22上。可以 回想起，检测器电路板22放大每个脉冲，并把它们与可调节的鉴别器电平进行比较，该电 平通常设置在对应于约IOOKeV能量的数值上。若这个脉冲的幅度对应于至少约为IOOKeV 的能量，则该电压脉冲被转变数字信号，并传送给MCS部分M的通道发生器26。此外，专业人员应当知道，参照图1描述的许多部件的功能可以由处理器执行。还 应当注意，图1中描述的系统可以利用钢丝绳传送测井装置进入油井。然而，可以设想，测 井装置可以是边钻孔边测量(MWD)的井底装置的一部分，它是利用诸如钻具组或盘旋管的 钻井管传送进入钻孔。此外，应当注意，图1表示在无套管钻孔中的仪器。该方法和设备同样适用于有套 管钻孔。图2表示适用于本发明的测井仪器的示意图。该设备是Baker Atlas公司的 Reservoir Performance Monitor (RPM)的设备。测量装置100包括中子源101和三个沿 轴向隔开的检测器，如以下所描述的。图2所示实施例中的检测器数目仅仅作为本发明实 施例中使用的检测器数目的例子。它不是对本发明范围的限制。本发明的测量装置可以包 括两个或多个检测器。中子源101可以在不同的频率下脉动，并有不同类型的测量模式。 短间隔(SQ检测器105最接近中子源101。长间隔(LQ检测器是用数字106标记，而最 远的检测器104称之为超大间隔(XLS)检测器。从中子源101发射快中子(约为14MeV)， 并进入钻孔和岩层中，其中它们经受几种类型的相互作用。在前几微秒(μ s)期间，在它们 失去大部分能量之前，一些中子是与钻孔和岩层中的原子核发生非弹性散射，并产生Y射 线。这些非弹性 射线120的能量是产生Y射线的原子核的特征。例如，可以在包括碳，氧，硅，钙，以及一些其他原子的环境中找到的这些原子核。在一个或多个工作模式下，使用两个或多个Y射线检测器。这种模式包括，但不 限于，脉冲中子俘获模式，脉冲中子频谱模式，脉冲中子储存成像器模式，和中子激活模式。 例如，在脉冲中子俘获模式下，仪器的脉冲频率是1kHz，并记录每个检测器的完整时间谱。 还记录能谱以保持能量鉴别电平。可以分别处理短间隔检测器和长间隔检测器的时间谱， 用于提供传统的热中子俘获截面信息，或者，可以一起使用这两个频谱，用于自动地校正钻 孔效应和漫射效应，并产生基本接近于本征岩层数值的结果。在脉冲中子频谱模式下，例如，仪器的脉冲频率是10kHz，并记录来自每个检测器 的完全非弹性和俘获Y射线能谱。处理这些数据以确定临界的元素比率，它包括非弹性频 谱的碳/氧和钙/硅以及俘获频谱的硅/钙。脉冲中子储存成像器模式同时产生来自每个 检测器的能谱和时间衰减谱。测量结果可用于确定气体，原油和水的储存。在与其他的生 产测井图组合时，此处所做的测量结果可以提供综合的生产录井图，甚至在偏斜井或水平 井中。利用几种数据采集方法之一，中子激活模式提供水流测量结果。在两个模式中的任 一模式下可以作稳定测量，而在不同测井速度下的测量结果可用于分离在环形区或相邻套 管中的不同流量比。根据每种测量模式的需要，可以单独地或组合使用来自这些测量结果 的各种计数率谱。在关断中子发生器之后，该测量设备还可用于检测具有放射性示踪剂的材料分 布，它们是在油井处理期间被注入到油井中。按照这种方式，可以评价操作的有效性，例如， 水力破碎或砾石布置。在本发明的一个实施例中，具有改进可靠性和较高输出的脉冲中子发生器耦合到 高速井下微处理器控制的驱动器和检测器电路。该系统支持多频运行和不同的检测选通定 时，便于进行不同的测量。可以从地面上选取工作模式，而不需要把仪器拉出井外。仅在几个微秒之后，绝大多数的中子速度被非弹性散射或弹性散射减慢，直至它 们达到约0.02MV的热能。在图2中是用实线箭头110的序列表示这个过程。在热能下， 中子继续经受弹性碰撞，但是，平均地说，它们不再丢失能量。在关闭中子发生器之后的几 微秒内，就完成这个过程。在此后的几百微秒时间内，热中子被各种元素的原子核俘获，从 而再次产生称之为俘获、射线130的、射线。俘获、射线的能谱提供有关这些元素的 相对丰度的信息。本发明的方法利用多个Y射线检测器的计数率以得到密度估算。参照图3作为 例子描述这种方法。在151，利用图2所示的三个检测器测井仪器进行测量。该测量可以 在有套管钻孔以及无套管钻孔中进行。在153，利用在无套管钻孔中化学γ射线源的常规 双检测器测井结果进行定标。在无套管钻孔中进行的测量可以早些时候在相同的油井中进 行，或可以从附近的对比井中得到。在本发明的一个实施例中，在155，确定本仪器中SS检 测器和LS检测器的计数比，并把它们与定标数据的结果进行比较。在图4中给出这种比较 的结果，其中纵坐标是无套管钻孔中的密度，而横坐标是计数比。这个计数比可以称之为第 一比率 R12 = (VC2。例如，在 Odem et al. (SPE55641)和 Odem et al. (SPE71042)中讨论 这个比率的使用。从图4所示的曲线中可以看出，在图3的157，可以得到比率R12与岩层 密度P之间的关系。例如，在图4中可以用直线201表示这种关系。应当注意，虽然直线 201指出比率R12与密度之间是线性关系，但是也可以利用包括对数关系在内的其他关系。以下的公式可以给出这种关系的一般形式
权利要求
1.一种用于估算地下岩层密度的方法，该方法包括(a)利用地球岩层中钻井内的中子源辐照地球岩层；(b)在钻井内的至少三个位置，检测由辐照在岩层中产生的Y射线；(c)对于该至少三个位置中的每个位置，从所述被检测的Y射线中产生响应信号；(d)根据至少两对响应信号，估算对应的密度；和(e)根据该至少两个密度估算，得到改进的岩层密度估算。
2.按照权利要求1的方法，其中估算该至少两对响应信号的对应密度还包括对于该 至少两对响应信号中的每对信号，比较两个响应信号的Y射线计数。
3.按照权利要求1的方法，其中估算该至少两对响应信号的对应密度还包括对于该 至少两对响应信号中的每对信号，确定形成该对信号中两个响应信号的比率。
4.按照权利要求3的方法，其中估算该至少两对响应信号的对应密度还包括比较该 至少两对响应信号中每对信号的比率与单独导出的密度估算。
5.按照权利要求4的方法，其中单独导出的密度估算是从(i)利用无套管钻孔中Y 射线的化学源所做的测量，和(ii)数字模拟中至少一个得到的。
6.按照权利要求1的方法，其中得到改进的密度估算还包括利用脊肋法。
7.按照权利要求1的方法，其中被检测的Y射线包括从脉冲中子的非弹性散射中得 到的Y射线。
8.按照权利要求1的方法，其中辐照还包括脉动地调节脉冲中子源。
9.一种用于测量钻井内地下岩层的密度的设备，包括(a)在钻井中传送的中子源；(b)至少三个产生信号的Y射线检测器，该信号响应于中子源的辐射而在岩层中产生 的Y射线；和(c)处理器(A)对于至少两对信号中的每对信号，得到密度估算；和(B)根据该至少两个密度估算，得到改进的岩层密度的估算。
10.按照权利要求9的设备，其中对于该至少两对信号中的每对信号，通过比较形成 该对信号中两个信号的Y射线计数，处理器得到该至少两对信号的密度估算。
11.按照权利要求9的设备，其中对于该至少两对信号中的每对信号，通过确定形成 该对信号中两个信号的比率，处理器得到该至少两对信号的密度估算。
12.按照权利要求11的设备，其中通过比较该至少两对信号中每对信号的比率与单 独导出的密度估算，处理器得到该至少两对信号的密度估算。
13.按照权利要求12的设备，其中利用(i)无套管钻孔中Y射线的化学源所做的测 量，和(ii)数字模拟中的至少一个结果，处理器得到单独导出的估算。
14.按照权利要求9的设备，其中利用脊肋法，处理器得到改进的密度估算。
15.按照权利要求9的设备，其中被检测的、射线包括从中子的非弹性散射中得到的 Y射线。
16.按照权利要求9的设备，还包括传送装置，该装置传送中子源进入钻井，传送装置 选自(i)钢丝绳，和(ii)钻井管。
17.按照权利要求9的设备，其中改进的岩层密度估算基本上独立于以下至少之一(i)钻井中的套管，(ii)钻井中的泥饼，(iii)在钻井的套管与钻孔壁之间环形区中的水 泥，和(iv)从钻井壁传送中子源的仪器的间隙。
18.按照权利要求9的设备，其中该处理器中的至少一部分是(i)地面位置，(ii)向 下钻进的位置，和(iii)远程位置之一。
19.按照权利要求9的设备，其中中子源还包括脉冲中子源。
20.一种计算机可读媒体，用于测量钻井内地下岩层密度的设备，该设备包括(a)在钻井中传送的中子源；和(b)至少三个产生信号的Y射线检测器，该信号响应于中子源的辐射而在岩层中产生 的Y射线；该媒体包含能使处理器执行的指令(c)对于至少两对响应信号中的每对信号，得到密度估算；和(d)根据该至少两个密度估算，得到改进的岩层密度估算。
21.按照权利要求20的媒体，至少包括以下之一(i)ROM, (ii)EPROM, (iii)EEPROM, (iv)快速擦写存储器，和(ν)光盘。
全文摘要
一种有脉冲中子源和三个或多个检测器的密度测井仪器，该仪器可以提供三个或多个测量结果。至少选取两对测量结果(253，259)以产生至少两个密度估算(255，261)，根据这两个密度估算，可以得到另一个密度估算(257)。这能够补偿中子源的变化，并提供用作钻孔校正和/或有套管校正的冗余测量结果。
文档编号G01V5/10GK102124379SQ200680018834
公开日2011年7月13日 申请日期2006年4月24日 优先权日2005年4月27日
发明者W·阿兰·吉尔克里斯特 申请人:贝克休斯公司