CN100455767C - 确定井孔周围地层结构孔隙度的系统和中子测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种确定井孔周围地层结构孔隙度的中子测量方法，包括：沿所述井孔传输工具，其中所述工具包括中子辐射源以及与所述源轴向间隔开来的至少一个探测器；产生用于所述至少一个探测器的测量的探测器响应，该探测器指示由所述源与所述地层结构相互作用的中子辐射；使用预定数学方程式产生所述测量的探测器响应，并因此获得不依赖所述地层结构密度的经校正的探测器响应；以及从所述校正的探测器响应确定井孔周围地层结构的孔隙度。本发明还涉及一种应用所述方法的系统。
Description
技术领域
本发明涉及通过井孔对地层结构特征的确定，特别是通过中子测量对地层结构孔隙度的确定。
背景技术
在碳氢化合物探测和生产中，确定(a)给出的地层结构中是否包含碳氢化合物、(b)在地层结构中碳氢化合物的数量、(c)在地层结构中适当位置的碳氢化合物的可生产性是很重要的。在地层结构中存在碳氢化合物的数量是地层结构孔隙空间或孔隙度的函数。在生产碳氢化合物的钻井中，希望通过井孔对每个预期碳氢化合物生产的地层结构的孔隙度进行测量。甚至更希望的是，在实际井孔钻探中，因为经济和预期的原因来确定预期地层结构的孔隙度。
在过去数十年中，人们通过井孔使用多种技术测量或者估计地层结构的孔隙度。该技术的其中之一是基于包括发射快中子的同位素源以及轴向设置的探测器的系统，该探测器对快中子与井孔及井口临近处原子核互相作用而产生的碰撞热中子的通量进行反应。该系统的基本概念基于以下事实：(a)由于原子量低，氢是快中子最有效的缓和剂，(b)地层中发现的大部分氢被包含在地层结构孔隙中的液体中，氢不是以水或液态碳氢化合物的形式存在就是以气态的形式存在。探测器与中子源轴向间隔开来，从而对给出的井孔而言，随着氢的容积浓度或地层孔隙度的增大，由热中子探测器记录的计算速度减少。
双探测器中子孔隙度系统已经被用来最小化井孔对地层结构孔隙度测量的影响。美国3,483,376和美国5,767,510文件中披露了与快中子源以不同距离轴向间隔开来的两个热中子探测器。两个探测器的响应比率随地层结构孔隙度变化，然而与两个独立探测器的任一探测器的计算速度相比，该比率对井孔的参数是较不敏感的。因此该比率是用于计算孔隙度的测量参数。习惯上，通过离中子源最远的探测器或“远”探测器的响应除以最靠近中子源的探测器或“近”探测器的响应得到该比率。
然而，由于所述中子孔隙度工具的响应随被钻探的地层密度显著地变化，该双探测器系统存在准确性问题。另外，该响应也是热捕获横截面(西格玛)的函数。把中子探测器封装在高吸收热中子屏蔽罩中，只有超热能中子可以渗透，这样实现最小化中子孔隙度测量的西格玛响应。在这种方法中，只有超热能中子被检测到，导致非常小的西格玛响应。
探测器相对于中子源的仔细设置可以最小化密度效应。已经表明在距离基于源能量的源的某一特定距离处出现密度响应最小化(参见Scott，H.D.，et.al.，1994，“Response of a Multidetetor Pulsed Neutron Porosity Tool”，专业钻井分析交流会的第35届年度钻井讨论会会报，论文J)。已经示出设置在最小密度敏感度点处的探测器具有非常小的密度响应。
但是，这个技术存在种种缺点，其中之一就是对探测器设置位置的极大限制，随之引发重要的机械限制。另外，远探测器仍显示出明显的密度敏感性。
发明内容
本发明的目的是提出一种确定井孔周围地层结构孔隙度的方法，该方法提供设计的灵活性，同时极大地提高中子孔隙度测量的动态范围；最小化环境校正以及消除在各种工具设计中页岩响应的不同。
为了实现这个目的，所提出的用来确定井孔周围地层结构孔隙度的中子测量方法包括：
沿所述井孔传输工具，其中所述工具包括中子辐射源以及与所述源轴向间隔开来的至少一个探测器；
产生用于所述至少一个探测器的测量的探测器响应，该探测器是对来自于与所述地层结构相互作用的所述源的中子辐射的指示；
使用预定数学方程式产生所述测量的探测器响应，并因此获得不依赖所述地层结构密度的经校正的探测器响应；以及
从所述校正的探测器响应确定井孔周围地层结构的孔隙度。
优选地，预定的数学方程式包括将测量到的探测器响应乘以一个基于地层结构密度的校正因数。有利地是，所述测量和校正的近探测器响应包括近探测器计算速度，所述测量和校正的远探测器响应包括远探测器计算速度。
有利地是，所述数学方程式是：
其中，CRcorr是校正的探测器响应，CR是测量的探测器响应，β是对密度的探测器灵敏度，是地层结构密度。
本发明的另一目的是提出一种用于确定井孔周围地层结构孔隙度的系统，包括：
(a)钻孔工具，包括中子辐射源和至少一个探测器；以及
(b)计算机，用于计算所述探测器的测量响应从而获得井孔周围地层结构的孔隙度的测量，由此：
来自于所述至少一个探测器的所述测量响应是对来自于和所述地层结构相互作用的所述源的放射性辐射的指示；
使用所述计算机采用预定数学方程式计算所述探测器的所述测量的响应以获得不依赖于所述地层结构密度的校正的探测器响应；所述校正的探测器响应被用来指示井孔周围地层结构的孔隙度。
本方法和系统的优点是具有希望响应特征的更精确的中子孔隙度测量。此外，这种中子测量方法应用于具有多种传输方式的中子孔隙度测量：线缆(wireline-“WL”)，测井钻探(logging while drilling-“LWD”)，或者插入测井(logging while tripping-“LWT”)。
附图说明
参照与提供的附图相结合的详细描述，本发明的其他目的和优点对本领域技术人员来说将变得更加显而易见：
图1示出中子孔隙度测量工具；
图2a和2b示出根据本发明方法的未校正和经校正的计算速度；
图3a和3b示出根据本发明方法的未校正和经校正的近、远探测器比率。
具体实施方式
图1示出作为测井钻探工具具体代表的中子孔隙度检测设备。在依照本发明的系统实施例中，快中子源1、近探测器2和远探测器3位于被称为LWD工具的钻环4中。在依照本发明方法和系统的另一个实施例中，该工具可使用两个以上的轴向间隔开来的探测器，因此允许选择单个或成对的探测器响应从而优化对探测区域的限制。通过深入到地层结构7中的钻孔6中的钻柱5悬挂LWD工具。钻柱5的上端优选地从传统旋转钻井拉曳设备(未示出)悬挂在地层70的表面。钻头8固定于LWD工具的下端。通过传动钻杆9旋转钻柱5，由此旋转LWD工具和钻头8，并因此通过钻头的切削作用向下延伸井孔。优选传统的钻井液体系统用以移除由旋转钻头形成的切削物，并保持井孔中的液静压。
在图1的示例中，近探测器2轴向安装于距离中子源1为d的位置处，远探测器3轴向安装于距离所述中子源为D的位置处。优选地，将中子源和近、远探测器压封于工具4的壁中，由此使这些元件与井孔环境隔离，并且还允许钻探液体优选地通过工具4中的同轴通道流动。钻探液体以本领域公知的方式退出钻头8。所述中子源优选的是发射快中子的同位素源。其可以是化学源，诸如镅铍混合物(Am-Be，4.5MeV)、或者可替代的，锎-252(252Cf)。中子源也可以是使用d-d或d-T反应的中子发生器。这种脉冲中子发生器包括一个高压电源(典型70至100kV)和真空管，在该真空管中，首先产生氘和氚离子，然后将其加速到包含氚和氘的目标上。氘核子和氚核子之间的反应导致发射具有大约14MeV能量的中子。
近探测器和远探测器优选地仅对极低能量的中子敏感，即“热”或“超热”中子。氦-3探测器对热或超热中子有响应，同时众所周知的是，覆盖有一层镉的氦-3探测器主要对超热中子有响应。在应用远、近探测器响应之间比率的示例中，优选的是，因为远探测器位置上的热中子通量被认为显著地少于近探测器位置上的热中子通量，由于统计学原因，远探测器3对热中子更敏感。
根据本发明的方法，当提供远和近探测器时，远、近探测器的相对位置可以相对于中子源而变化，因其允许机械适应性，这是非常方便的。参照图1，可将近和远间隔的探测器以优选的轴向间隔分别设置在中子源的上方。另外，可将近探测器或远探测器其中之一设置在中子源之上，并将另一探测器(或两者)设置在中子源以下。
用于探测器的电源、控制和数据调整电路优选地包含在LWD工具中。通过未示出的泥浆脉冲遥感测量系统或者在LWD和NWD(钻井时测量)技术中公知的其它适合的遥感测量系统将近探测器2和远探测器3的计算速度优选地传送到地层表面70。可选择的是，将探测器响应或计算速度数据记录或存储在优选位于LWD工具中的存储器(没有示出)中，以用于当LWD工具回到地层表面70时，随后取出这些数据，使用计算机(没有示出)显示近和远的计算速度，随后建立作为井孔中深度的函数的结构孔隙度的记录。
一般而言，探测器响应依赖氢的指数(index)和井孔周围地层结构的密度(假定没有西格玛效应，其中，西格玛是地层结构的中子宏观捕获横截面，例如参见Darwin Ellis(Elsevier)编写的“地质钻井技术”)。
对于给出的探测器的计算速度(CR)可以被表示为：
其中：HI＝地层结构中氢指数(index)，也就是相对于水的地层结构中氢的浓度
α＝对HI的探测器灵敏度
β＝对密度的探测器灵敏度
并且假定指数依赖于HI和密度。灵敏度α和β对给出的探测器空间和中子源能量是常量(具体的，β根据化学源或中子发生器变化，但是具有适当的系数，这种差别可以克服从而获得精确的孔隙度测量)。通过观测计算速度响应，同时改变地层结构密度但保持地层结构HI为常数，对于给出的探测器其灵敏度β可以被确定。通过逆运算得到灵敏度α。
公式
去掉密度效应并隔离HI响应。然后该方程可以被应用到至少一个测量的探测器响应或近和远探测器计算速度。
因此，根据本发明，可以通过下面公式获得在应用两个探测器(近和远)的示例中经校正的探测器计算速度(分别是NCRcorr和FCRcorr)：
公式(2)
其中NCR和FCR分别是测量的近和远探测器的计算速度。
依据本发明的方法，可能利用单个测量探测器计算速度并使用所述的或者公知技术中合适的处理方法进行校正，从而获得地层结构的孔隙度。也可能使用一对近和远探测器，然后使用两个校正的近和远探测器计算速度或仅使用一个校正的探测器计算速度和第二测量计算速度，从而获得计算速度比率。但是，优选使用两个近和远探测器计算速度以获得最准确的地层结构孔隙度。
在本示例中，校正近和远探测器的计算速度可得到校正比率：R＝NCRcorr/FCRcorr。该比率对密度相对不敏感，仅对氢指数有响应。特别是，如图2a和图2b所示，泥页岩的读数将不产生受密度影响而引起的夸大的孔隙度。即，使用未校正比率(图2a)的45pu泥页岩的明显孔隙度大约是82pu(图2a)，而经密度修正的比率(图2b)产生45pu的正确孔隙度。
为了进一步解释，图2a示出了在密度校正之前远探测器测量的响应。源于石灰石孔隙度响应的沙岩和白云石的差异主要是由于密度效应(特别是白云石)。代表密集泥页岩响应和明显从石灰石响应线分开的氧化铝点显示了更多的密度效应。在图2b中，根据本发明的计算方法，考虑密度效应，校正远探测器计算速度。结果，去掉密度效应后，白云石和氧化铝点位于石灰石响应线上。由于与快中子传输有关的残余效应，沙岩点移动靠近石灰石响应线但不与石灰石响应线重叠。
如图3a和图3b所示，在近与远计算速度比率方面，密度校正影响更明显。与石灰石响应对比，对沙岩、白云石和氧化铝点来说，未校正的NCR/FCR比率(图3a)示出明显的密度效应(即沙岩、白云石和泥页岩点彻底远离石灰石孔隙度响应线)。在另一方面，密度校正比率R＝NCRcorr/FCRcorr对密度效应不敏感，并且仅对氢指数HI起响应。结果就是，白云石和泥页岩点位于石灰石响应线上(沙岩响应很接近石灰石响应线，但显示残留影响)。
对探测器计算速度应用密度校正有几个优点。首先，白云石和氧化铝点位于石灰石响应线上，因而不需要岩石校正，即石灰石、白云石和泥页岩中的孔隙度响应几乎一致。其次，沙岩点靠近石灰石响应线，因此需要小的岩石校正，从而将它们设置在参照的石灰石响应线上。第三，并且是最重要的，通过去掉密度效应，明显改善测量的动态范围，特别是在较高的孔隙度。这就是说，动态范围(0→100pu)对于未校正比率大约是5，对于密度校正比率大约是10。较好的动态范围导致获得更准确和统计上精确的孔隙度测量。
本发明的方法可应用于现有LWD工具设计来“调整”工具的孔隙度响应，从而显示密度效应的具体数量。通过给出设计显示的密度效应的数量依赖于源/探测器间隔，并能被方程1(公式1)的β系数量化。通过调整密度校正方程2(公式2)的β值，可以提高、降低或者去除密度灵敏度，从而获得指定的密度响应。按照这种方法调整工具孔隙度响应的能力使得有可能不依赖于工具设计来传送响应。因此，从具有固有的差异响应的工具可以得到一致和均衡的孔隙度响应。
参照LWD工具已经描述了本发明的方法，但在线缆系统中提供相同效果的密度校正。
Claims (30)
1.一种确定井孔周围地层结构孔隙度的中子测量方法，包括：
沿所述井孔传输工具，其中所述工具包括中子辐射源以及与所述源轴向间隔开来的至少一个探测器；
产生用于所述至少一个探测器的测量的探测器响应，该响应是对与所述地层结构相互作用的所述源的中子辐射的指示；
使用预定数学方程式产生所述测量的探测器响应，并因此获得不依赖所述地层结构密度的经校正的探测器响应；以及
从所述校正的探测器响应确定井孔周围地层结构的孔隙度。
2.依据权利要求1所述的方法，其中，所述预定的数学方程式包括将测量到的探测器响应乘以一个基于地层结构密度的校正因数。
3.依据权利要求1所述的方法，其中，中子辐射源是发射快中子的同位素源。
4.依据权利要求1所述的方法，其中，近和远探测器是热中子探测器。
5.依据权利要求1所述的方法，其中，近和远探测器是超热中子探测器。
6.依据权利要求1所述的方法，其中，通过钻柱传输所述工具。
7.如权利要求1所述的一种确定井孔周围地层结构孔隙度的中子测量方法，其中，所述探测器至少有两个，以不同间隔与所述中子辐射源轴向间隔开，所述至少两个探测器包括成对的近探测器和远探测器，所述近探测器较之所述远探测器更靠近所述中子源；
在所述近探测器和远探测器对中，从所述校正探测器响应和所述其它探测器响应形成校正比率；以及
从所述校正比率确定井孔周围地层结构的孔隙度。
8.依据权利要求7所述的方法，其中，所述预定数学方程式包括将测量的探测器响应与基于地层结构密度的校正因数相乘。
9.依据权利要求8所述的方法，其中，所述测量的和校正的近探测器响应包括近探测器计算速度，所述测量的和校正的远探测器响应包括远探测器计算速度。
10.依据权利要求9所述的方法，其中，所述数学方程式是：
，其中CRcorr是校正的探测器计算速度，CR是测量的探测器计算速度，β是相对于密度的探测器灵敏度以及
是地层结构密度。
11.依据权利要求10所述的方法，其中，调整相对于密度的探测器灵敏度β，从而提供一个不依赖于钻探工具设计的校正的探测器响应。
12.依据权利要求7所述的方法，其中，使用预定的数学方程式对测量的近探测器响应和测量的远探测器响应进行计算。
13.依据权利要求7所述的方法，其中，中子辐射源是发射快中子的同位素源。
14.依据权利要求7所述的方法，其中，所述近和远探测器是热中子探测器。
15.依据权利要求7所述的方法，其中，所述近和远探测器是超热中子探测器。
16.依据权利要求7所述的方法，其中，使用钻柱传输所述工具。
17.一种确定井孔周围地层结构孔隙度的系统，包括：
(a)钻孔工具，包括中子辐射源和至少一个探测器；以及
(b)计算机，用于计算所述探测器的所测量到的响应，从而获得井孔周围地层结构孔隙度的测量值，因此：
来自于所述至少一个探测器的所述测量响应是对来自于和所述地层结构相互作用的所述源的核辐射的指示；
使用所述计算机采用预定数学方程式计算所述探测器的所述测量响应，从而得到不依赖所述地层结构密度的经校正的探测器响应；所述校正的探测器响应被用来指示井孔周围地层结构的孔隙度。
18.依据权利要求17所述的系统，其中，所述预定数学方程式包括将测量的探测器响应与依赖于地层结构密度的校正因数相乘。
19.依据权利要求17所述的系统，其中，中子辐射源是发射快中子的同位素源。
20.依据权利要求17所述的系统，其中，近和远探测器是热中子探测器。
21.依据权利要求17所述的系统，其中，近和远探测器是超热中子探测器。
22.依据权利要求17所述的系统，其中，使用钻柱传输所述工具。
23.如权利要求17所述的一种确定井孔周围地层结构孔隙度的系统，其中，所述探测器至少有两个，以不同间隔与所述中子辐射源轴向间隔开，所述至少两个探测器包括成对的近探测器和远探测器，且所述近探测器比所述远探测器更靠近所述中子辐射源，而且所述计算机用于组合所述至少两个探测器测量的响应，由此得到井孔周围地层结构孔隙度的测量值；
在所述近和远探测器对中，所述校正的探测器响应和其它探测器响应使用计算机进行组合从而形成校正比率；以及
所述校正比率是对井孔周围地层结构孔隙度的指示。
24.依据权利要求23所述的系统，其中，所述测量的和校正的近探测器响应包括近探测器计算速度，所述测量的和校正的远探测器响应包括远探测器计算速度。
25.依据权利要求24所述的系统，其中，所述数学方程式是：，其中CRcorr是校正的探测器计算速度，CR是测量的探测器计算速度，β是相对于密度的探测器灵敏度以及
是地层结构密度。
26.依据权利要求23所述的系统，其中，使用预定的数学方程式对测量的近探测器响应和测量的远探测器响应进行计算。
27.依据权利要求23所述的系统，其中，中子辐射源是发射快中子的同位素源。
28.依据权利要求23所述的系统，其中，所述近和远探测器是热中子探测器。
29.依据权利要求23所述的系统，其中，所述近和远探测器是超热中子探测器。
30.依据权利要求23所述的系统，其中，使用钻柱传输所述工具。
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