CN101258425B - 使用脉冲中子装置的套管井眼内地层气体压力测量 - Google Patents
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Abstract
具有三个或更多探测器的脉冲中子工具被用于在套管内进行测量。该测量可以被使用以确定在恒定气体压力下的气体饱和度、在恒定气体饱和度下的气体压力，或者确定气体饱和度及气体压力。
Description
技术领域
本发明一般地涉及油气井测井工具。更特别地，本发明涉及使用由脉冲中子源产生的伽马射线测量地层的气体饱和度及气体压力的工具。本发明可以用于套管孔以及裸孔。
背景技术
在石油和烃类生产中，储层气体的采收具有相当大的商业价值。在气体产生的过程中，存在不断增加的进到储层内的水流量。该情况可能是由于自然的原因，或者可能是在二次采收作业的情况下水注入到储层内的结果。从而气体的产生导致储层中的气体饱和度减小。另外，由于作为其重要本质储层在不可透过性地层内包含可透过性地层的事实，气体的生产导致了气体压力减小。而气体压力的减小又影响储层流体的流动方式。知道气体压力在储层开发中同样是非常有帮助的。在将气体贯进注入井内并用来将石油流从储层引导到生产井内的增强石油采收项目(EOR)中，知道气体饱和度也是重要的。
支撑气体饱和度与/或气体压力的确定的基本方法即是密度确定的方法。一种被称为感生伽玛射线测井的方法包括了响应于高能中子源在地层内产生的伽马辐射的探测。当使中子源产生脉冲时，伽玛射线由两个反应中的一个产生。第一个反应是快中子的非弹性散射(具有大约1MeV以上或大约一个量级以内能量的中子)。第二个反应是超热中子的俘获(具有大约1eV能量的中子)。第三个反应是热中子的俘获(具有大约0.025eV能量的中子)。快中子的寿命非常短(几微秒)，使得在中子源的脉冲期间存在混合能量中子场。在脉冲之后不久，所有中子减慢到热中子能级并且这些具有几百微秒以内寿命的热中子到处游荡直到被俘获。来自非弹性散射的伽玛射线紧邻于加速器产生，以及来自热中子俘获的伽马射线被驱散以更远离加速器(高达几十厘米)。俘获伽马射线的数量受地层的氢数量和热中子俘获截面数量的强烈影响。非弹性散射所产生的伽马射线的数量较少地依赖于上述数量，并且这种伽马射线的测量与地层密度更直接相关。脉冲中子源的使用允许将俘获伽马射线与非弹性伽玛射线分开，以给出密度的较佳估计。
Smith Jr.等人的US3780301公开了使用布置于裸孔中的测井工具来测定气体饱和度的方法和装置。脉冲中子源产生了具有大约14MeV能量的中子脉冲。单一伽玛射线探测器测量了由中子与地层中的核子的相互作用所产生的非弹性伽马射线数。具体地，对与C、O、Si和Ca相应的能带进行计数。通过将这些区域内的Si/Ca和C/O的比与已知的含水砂层的Si/Ca和C/O的比相比较，可以估计在低氢含量地层中的石灰岩的相对丰度，从而将气体区区别于水饱和的低孔隙度石灰岩。
当其中运行了工具的井眼是无套管储层时，工具能够接触地层本身。但是，一旦钻井已套管，则在其中布置有工具的井眼内部和地层本身之间存在钢筋混凝层。钻井套管使得在工具和储层间难以传递信号，反之亦然。另外，水泥能够干扰地层性质的测量。
传统上已经使用两个伽马射线探测器进行地层密度测量。在裸孔的情况下，使用由以下方程表示的脊骨和肋骨方法，将由近的和远的探测器获得的密度估计值ρSS和ρLS用来获得校正的密度估计：
ρ-ρLS＝Δρ＝f(ρLS-ρSS) (1)，
其中f(.)是非线性的函数，其依赖于工具平衡或者在工具和地层之间的泥饼数量，并且由校准方法确定。该双探测器布局能够补偿平衡(在MWD应用中)和泥饼厚度(在有线线路应用中)。当与脉冲中子源一起使用时，校正同样必须针对源的强度差异进行，所以双探测器布局只是给出密度的单个估计，例如这两个探测器的输出的比。
如上所述，对于在套管孔中所进行的测量，由于套管和水泥的存在还有额外的复杂性。为了探查地层，中子必须退出工具，通过套管和水泥并发生散射，或者在由此产生的伽玛射线反向穿过水泥和套管并最终再进入工具以被探测之前于地层中被俘获。因而，作为只是泥饼校正(对于裸孔有线线路)或者平衡校正(对于MWD)的代替，套管孔密度工具必须能够对于影响大于泥饼的水泥和套管进行校正或补偿。Moake的US5525797公开了使用校正套管影响的化学伽马射线源的三探测器工具的应用。Moake设备的缺点是需要相对高能量的化学源(安全的问题)以及测量伽马射线能量的事实(代替计数率)。另外，从俘获伽马射线中分离非弹性伽马射线是不可能。
Badruzzaman的US5825024公开了用于在井眼，尤其是在套管井眼内测量地层密度的装置。装置具有被配置用20微妙或更少的脉冲来产生14MeV的中子的能量源。装置具有至少三个用于探测由中子脉冲产生的伽马射线的探测器。探测器和能量源以能量源处于一端的方式沿着中心轴排列。屏蔽被布置在三个探测器的每个探测器之间以及在末端探测器和邻近它的能量源之间。探测器被配置以测量700KeV以下的伽马射线并且响应于这些伽马射线而产生信号。然后，信号可以与预定的特征信号或者计算机模拟来比较以确定地层的密度，以及由此确定地层的孔隙度。
Badruzzaman等人(SPE89884)讨论了用于贯穿套管密度测量的带有脉冲中子源的四传感器布局的使用。其中包括虚密度确定，用于确定含油饱和度的C/O测量，以及水和蒸汽饱和度的脉冲中子俘获(PNC)截面测量。
现有技术中没有认识到气体饱和度和气体压力两者对用中子测井设备进行的测量的影响之间的相互关系。本发明认识到该相互关系并且描述穿过套管测定储层特性的综合方案。
发明内容
本发明的一种实施方案是评估内含有气体的地层的方法。地层被地层中的钻孔内的中子源照射。由中子与地层中的核子相互作用产生的辐射通过至少一个与源隔开的探测器来测量。从测量中估计气体压力Pg。气体压力的估计还可以基于从测量中确定指示钻孔内至少一个深度的Pg的气体区(gas zone)参数(GZP)值，以及建立至少两个不同Pg值的GZP值。钻孔可以是套管钻孔。可以使用脉冲中子源。可以将两个或更多探测器用于与由两个探测器进行的测量的比有关的GZP。探测器可以是伽玛射线探测器。该至少两个不同Pg值可以基本上等于原始储层压力值以及基本上等于废弃储层压力值。建立GZP的值可以基于地层矿物学、地层孔隙度、工具响应特性、地层流体密度、钻孔流体密度、钻孔直径、套管直径、气体密度，以及/或者状态方程，并且可以包括蒙特卡罗(Monte-Carlo)模拟。该至少一个深度可以包括多个深度，并且显示可以在多个深度的每个深度进行，确定的GZP值、建立的至少两个不同Pg值的GZP值，以及其中基本上没有气体的储层的GZP值。建立Sg的值可以基于线性的内推法、非线性的内推法、线性的外推法，以及/或者非线性外推法。
本发明的另一个实施方案是用于评估内含有气体的地层的装置。该装置包括被输送到地层中的钻孔内的中子源，该中子源照射地层。至少一个与源隔开的探测器产生了指示辐射与地层中的核子相互作用的结果的信号。处理器从所产生的信号中估计气体压力Pg值。处理器可以通过从信号中确定指示出钻孔内至少一个深度的Pg的气体区参数(GZP)值，建立至少两个不同Pg值的GZP值，以及使用确定的GZP值和至少两个建立的GZP值来估计Pg。钻孔可以是套管钻孔。源可以是脉冲中子源。相互作用可以是非弹性散射。可以将两个或更多探测器用于与由两个探测器进行的测量的比有关的GZP。该至少两个不同Pg值可以基本上等于原始储层压力值以及基本上等于废弃储层压力值。处理器可以使用地层矿物学、地层孔隙度、工具响应特性、地层流体密度、钻孔流体密度、钻孔直径、套管直径、气体密度，以及/或者状态方程来确定GZP的值。蒙特卡罗模拟可以被使用。该至少一个深度还可以包括多个深度，并且处理器可以在多个深度中的每个深度下显示确定的GZP值、建立的至少两个不同Pg值的GZP值，以及其中基本上没有气体的储层的GZP值。中子源可以通过有线线路或平直管线传送进入钻孔。
本发明的另一个实施方案是用于在用来评估内含有气体的地层的装置中使用的机器可读媒体。该装置包括被输送到地层中的钻孔内的中子源。该中子源照射地层。该装置还包括至少一个与源隔开的探测器，该至少一个探测器产生了指示出辐射与地层中的核子相互作用的结果的信号。媒体包括指令，其能够使处理器从信号中确定指示钻孔内至少一个深度的Pg的气体区参数(GZP)值，建立至少两个不同Pg值的GZP值，并且由确定的GZP值和至少两个建立的GZP值来估计Pg值。媒体可以是ROM、EPROM、EEPROM、闪速存储器，以及/或者光盘。
附图说明
本发明通过参考附图可被最好地理解，其中相似数字指出相似的元素，并且其中：
图1(现有技术)是本发明的核测井系统的总示意图；
图2(现有技术)说明伽玛射线由非弹性散射和热及超热中子俘获所产生；
图3是流程图说明本发明中涉及气体饱和度及气体压力的确定的一部分；
图4显示作为水饱和以及气饱和储层孔隙度的函数的气体区参数(GZP)的示例变化；
图5是在增强石油采收中所使用的钻井内的GZP的示例显示；
图6显示关于气体压力对气体区参数(GZP)变化的影响的实例，其中GZP是水饱和以及气饱和储层的有效孔隙度的；
图7显示含有贫化区域的含气储层的实例；
图8说明利用GZP和C/O的测量值确定饱和度和压力的原理；
图9是显示作为不同地层流体的有效孔隙度的函数的C/O比的变化的示例图表；以及
图10是说明通过GZP和C/O的比同时确定地层压力和气体饱和度的方法的流程图。
具体实施方式
图1所显示的系统是用于密度测井的现有技术系统。钻井10穿透地表并且可以套管或者可以不套管，这取决于特定的钻井勘测。地下测井工具12布置于钻井10中。图1所图示的系统是基于微处理器的核测井系统，该系统使用多通道量表分析来确定探测到的伽马射线的定时分配。测井装置12包括超长间隔(XLS)探测器17、长间隔(LS)探测器14、短间隔(SS)探测器16和脉冲中子源18。在本发明的一个实施方案中，XLS、LS和SS探测器17、14和16包括适合连接光电倍增管的材料，例如锗酸铋(BGO)晶体或碘化钠(NaI)。为了在钻孔内所遇到的高温下保护探测器系统，探测器系统可以安装在杜瓦瓶中。这种特定的源和瓶的布置只是一个实例，而不应当被视为限定。同样地，在本发明的一个实施方案中，源18包括应用D-T反应的脉冲中子源，在D-T反应中氘离子被加速进入氚靶，从而产生具有大约14MeV能量的中子。该特定类型的源只是用作示例目的，而不应被解释为限定。灯丝电流和加速器电压由电源15提供给源18。电缆20吊起钻井10内的装置12并且包含用于装置12与地面装置(surface apparatus)的电力连接所必需的导体。
XLX、LS和SS探测器17、14和16的输出连接到探测器电路板22，该电路板22放大这些输出并将它们与可调节的鉴别器电平比较，以传送到通道发生器26。通道发生器26是多通道量表(MCS)部分24的组件，这部分24还包括能谱累加器28和中央处理单元(CPU)30。MCS部分24通过利用通道编号在能谱累加器28内累加能谱数据，其中通道编号由通道发生器26产生并且与脉冲联合以作为存储单元的地址。在所有通道都已使得它们的数据被累加之后，CPU30读取能谱，或者收集来自全部通道的数据，并且将数据发送到调制解调器32，该调制解调器32被连接到电缆20上以通过通信线路将数据发送到地面装置。通道发生器26还产生控制源18的脉冲频率的同步信号，以及传送控制指令的CPU30的更多功能，该指令规定了装置12的某些工作参数，包括探测器电路板22的鉴别器电平，以及由电源15提供给源18的灯丝电流和加速器电压。
地面装置包括连接到电缆20上的主控制器34，该电缆20用于采收来自装置12的数据并且用于将指令信号发送到装置12。还有与地面装置联合的深度控制器36，其给主控制器34提供指示钻井10内的装置12的运动的信号。系统操作员访问主控制器34以允许系统操作员给由系统执行的测井操作提供所选的输入。显示单元40和大容量存储单元44同样连接到主控制器34。主要用途关于显示单元40是提供所产生的测井数据以及系统工作数据的可视化指示。存储单元44被提供用以保存由系统产生的测井数据，以及用于所保存数据的检索和系统工作程序。卫星链路可以被提供以发送数据以及/或者接收来自远程位置的指令。
在测井工作中，例如由图1所说明的，主控制器34一开始发送系统工作程序和指令信号以由CPU30执行，该程序和信号涉及特定的测井工作。然后，使装置12以常规的方式在钻井10内来回移动，并且源18响应于来自通道发生器26的同步信号产生脉冲。典型地，源18以1000脉冲/秒(1KHz)的速率产生脉冲。而这又引起被导入所要勘测的周围地层的14MeV量级的高能中子脉冲。正如下面参照图2所讨论的，这组被导入地层的高能中子将引起在地层内产生伽马射线，这些伽马射线会多次撞击在XLS、LS和SS探测器17、14和16上。当每个伽玛射线这样撞击在探测器的晶体光电倍增管布局上时，具有与该特定伽马射线的能量相关的振幅的电压脉冲则被送到探测器电路板22。还记得探测器电路板22放大每个脉冲并且将它们与可调节的鉴别器电平相比较，该鉴别器电平典型地设定对应于大约100KeV的值。如果某一脉冲具有对应于至少约100KeV能量的振幅，则该电压脉冲被转换为数字信号并且被传送到MCS部分24的通道发生器26。
另外，正如本领域技术人员已知的，参照图1所描述的组件的许多功能可以由处理器实现。还应该指出的是，图1所描述的系统包括通过有线线路向钻井内输送测井设备。然而，据设想，测井设备可以是通过像钻柱或挠性管那样的钻井管具输送到钻孔内的随钻测量(MWD)底孔组件的一部分。另外，应该指出的是，图1说明裸孔内的工具。该方法和装置同样适用于套管孔内。
图2显示适用于本发明的测井工具的图解。所说明的装置是Baker Atlas公司的储层性能检测仪(RPM)。测量设备100包括中子源101以及下面所描述的三个轴向间隔开的探测器。图2的实施方案中所显示的探测器数只是本发明的实施方案中所使用的探测器数的一个实例。这不是对本发明范围的限定。本发明的测量设备可以包括两个或更多探测器。可以使中子源101在不同类型测量的不同频率和模式下产生脉冲。短间隔(SS)探测器105最接近源101。长间隔(LS)探测器由106表示，而最远的探测器107被称为超长间隔(XLS)探测器。快中子(大约14MeV)从源101放射出并且进入钻孔和地层，在那里它们会经受几种类型的相互作用。在最初的几微妙(μs)内，在它们失去大量能量前，一些中子因钻孔及地层中的核子而陷入非弹性散射并且产生伽马射线。这些非弹性伽马射线120具有表示产生它们的原子核的特征的能量。例如，在该环境中发现的原子核包括碳、氧、硅、钙，以及一些其他原子核。
两个或更多伽马射线探测器被使用于一种或更多工作模式中。这样的模式包括，但不限于，脉冲中子俘获模式、脉冲中子测谱模式、脉冲中子滞留成像器模式，以及中子活化模式。在脉冲中子俘获模式中，工具产生例如1kHz的脉冲，并且记录每个探测器的完全时间频谱。能谱同样被记录以用于维持能量鉴别器电平。短间隔及长间隔探测器的时间频谱能够被单独处理以提供传统的热中子俘获截面信息，或者这两种频谱能够被一起使用以自动地校正钻孔和扩散的影响，并且产生充分接近地层固有值的结果。
在脉冲中子测谱模式中，装置产生例如10kHz的脉冲，并且记录每个探测器的完全非弹性能谱和俘获伽马射线能谱。这些数据被处理以确定元素比，包括来自非弹性能谱的碳/氧和钙/硅以及来自俘获能谱的硅/钙。
在中子发生器被关闭的情况下，测量装置还能使用于探测由放射性示踪剂标示的物质分布，该示踪剂在钻孔处理期间被注入钻井内。以这样的方式，能够评估像水力压裂或砾石充填布置那样的操作的有效性。
在本发明的实施方案中，具有改良的可靠性及更高输出的脉冲中子发生器连接了井下高速微处理器控制驱动器和探测器电子设备。系统支持多频率工作以及不同的探测选通时间以进行不同测量。工作模式能够从地面上选择，而不需要从钻井中拉出工具。
仅仅几μs之后，大部分中子由于非弹性或弹性散射而减慢，直到它们达到大约0.025eV的热能。该过程在图2中示意性地图解为实线箭头110的序列。在热能下，中子继续经受弹性碰撞，但是它们平均起来不再失去能量。中子发生器关掉后的几μs后，热能化过程完成。在接下去的几百μs内，热中子由多种元素的核子俘获，并再次产生伽马射线，被称为俘获伽马射线130。俘获伽马射线能谱产生关于这些元素的相对丰度的信息。非弹性伽马射线由120表示。
接下来我们给出本发明方法的广泛概述。如上所述，目标是确定储层内的气体饱和度和/或气体压力。首先，我们讨论气体压力已知的情况，目标是确定气体饱和度。然后，我讨论气体饱和度已知的情况，目标是确定气体压力。最后，我们讨论同时确定气体饱和度和气体压力方法。
现在转到图3，讨论确定气体饱和度的方法。在处理测量和记录后的数据的情况下讨论了该方法，而这可理解为方法的某些或所有部分基本上能够实时地实现。选择初始深度151。对应于初始深度，非弹性伽马射线测量由三个或更多探测器155进行。深度信息被用于确定153该深度151地层的参数，例如矿物学和有效孔隙度。矿物学和有效孔隙度可以被获得于先前在裸孔的情况下进行的测量中，岩硝中，矿样中等。有效孔隙度φe通常小于由孔隙度测井工具确定的总孔隙度φ。有效孔隙度是除去密封孔隙的空隙空间比。从而测量相互有效连接的空隙容积。例如，该容积可以由NMR测量确定。
从由探测器155进行的测量中，确定超长间隔探测器附近的非弹性碰撞比率RIN13。已经发现该比率对气体的影响最为敏感。应该指出的是，比率RIN23同样对地层气体敏感，但是该比率的统计变化性通常大于RIN12和RIN13的。在本发明的一个实施方案中，可以使用测量值的加权组合。在Gilchrist等人的美国专利申请序号10/955,867中讨论了这种加权组合，该专利具有与本发明相同的受让人并且其内容通过引用纳入本文。我们将这些量的任一个定义为气体区参数(GZP)。还应该指出的是，俘获伽马射线数的比率RATO13对气体的存在更为敏感并且可以被用于本发明的一个实施方案中。然而，俘获伽马射线计数对像地层盐度和页岩矿那样的因素同样敏感，并且需要对这些其他因素进行适当的校正。应该指出的是，在测量非弹性伽马射线的时间间隔内，还存在俘获伽马射线的影响。典型地，非弹性的和俘获的伽马射线都在大约0.1MeV到8MeV的相同能带上被测量。在本发明的一个实施方案中，通过校正俘获伽马射线的影响来获得改良的非弹性伽玛射线计数。进行这种校正的方法已被公开，例如，在Odom的US5374823中。其他方法是本领域技术人员已知的。
在GZP的界限内执行表格查找155。表格利用蒙特卡罗模拟生成。应该指出的是，这里所使用的术语“表格查找”意指引入从蒙特卡罗模拟中获得的方程，其中涉及该模拟中所考虑的多种因素。蒙特卡罗模拟可以包括像地层矿物学和有效孔隙度、已知的工具响应特性、地层流体密度、钻孔流体密度、钻孔直径以及套管直径那样的因素。在本发明的一个实施方案中，考虑到了四种主要的矿物学：沙岩、页岩、石灰岩和白云岩。在本发明的一个实施方案中，气体压力被视为已知量并对固定的气体压力进行表格查找。气体压力可以使用流动试验来确定。地层流体密度可以利用设备确定，例如在Michael等人的US5473939中所公开的设备，US5473939具有与本发明相同的受让人并且其内容通过引用纳入本文。密度测量还可以在地面进行。钻孔流体性质可以在地面测量，并且针对井下条件应用适当的温度及压力的校正。
基于表格查找，产生了0％气体饱和度和100％气体饱和度的值。这些是GZP的界限(被称为包络线)。界限及GZP的值被保存以用于显示161并且下一个深度被处理163。该步骤继续进行直到所有的深度都已被处理。应该指出的是，还可以产生其他Sg值的曲线。在不变的气体压力下，GZP和Sg之间的关系不是线性的，所以对于定量分析，可以进行非线性的或线性的内推或外推。
图4说明了气体包络线的定性基础。横坐标表示储层内含气砂层的有效孔隙度，而纵坐标是GZP。对于给定的气体密度(对应于固定的气体压力)，曲线221是Sg＝0的GZP而曲线223是Sg＝1的GZP。随着储层气体清除的进行，气体饱和度逐渐地增大，由箭头227指示，并且在EOR作业过程中，随时能够在显示中察看，例如图5中的显示。
图5显示所由本发明产生的示例显示。该数据来自于石灰岩储层的钻井，该石灰岩储层是增强石油采收项目的一部分。曲线241对应于“湿”侧，即0％气体饱和度。曲线245对应于100％气体饱和度，代表“气”侧。曲线243是GZP的测量值。可以看出，在标识为247的区域中，曲线243离开湿侧曲线241：这表明存在气体，分离程度指示出气体饱和度。应该指出的是，该关系不一定是线性的，所以线性的或非线性的内推法或外推法可以被使用以量化气体饱和度。在标识为249的区域中，曲线243基本上处于湿曲线241的上方，并且指示出没有气体的湿区域。
虽然前面所给出的实例是针对EOR作业的，但相似的结果可以在天然气井中获得：GZP与“湿”值的分离可被用于鉴定储层内的含气砂层。然后，储层的后续开发将基于在确定的含气井段打入套管以及生产天然气。
在本发明的另一个实施方案中，可以确定气体压力。其基础说明于图6中。图6在外形上与图4相似。在这里，曲线223代表了作为有效孔隙度的函数的GZP并且可以对应于含气储层的初始气体压力。随着生产继续进行，并且假定没有水流入储层(恒定的Sg)，则气体压力下降，气体密度减小并且GZP减小。其结果形成了GZP小于223的曲线223’。这意味着在固定气体饱和度下，更小的气体压力引起了更大的包络线。注意，包络线的湿界限221是与气体压力无关的。如同Sg对GZP的影响一样，Pg对GZP的影响也可以是非线性的。可以产生两个以上的曲线，并且线性的或非线性的内推法或外推法可以被用于气体压力的定量估计。
天然气储层的一个实例被显示于图7中。在顶部附近，曲线261是湿界限，曲线263是Sg＝1的初始气体压力曲线。曲线265是Sg＝1的枯竭储层气体压力曲线，其气体压力对应于储层被放弃的压力。实际测量267位于曲线263附近，指示出至少在顶部，储层还没有压力枯竭。
接近底部的情况则并非这样。曲线261’是湿界限，曲线263’是Sg＝1的初始储层气体压力曲线。曲线265’是Sg＝1的枯竭储层气体压力曲线。实际测量267’位于曲线265’的附近，指示出更深的含气储层已经压力枯竭并且气体压力减少。这对储层开发具有重要的影响。
本发明认识到了以下事实，即恒定气体压力的假定或恒定气体饱和度的假定可以不是确信的。因此，在本发明的一个实施方案中，还测定了碳/氧(C/O)比。正如本领域技术人员已知的，在大约4.4MeV的能量下散射的非弹性伽马射线主要是由于地层中的碳核子。在大约6.13MeV的能量下散射的非弹性伽马射线指示出地层中的氧核子。C/O比是受气体饱和度及气体压力两者影响的独立测量值。
为了了解该C/O比可以如何被使用，我们首先更详细地研究了图6并且得出了一些推论。我们注意到，点可以是气体压力和气体饱和度，或者相同地，气体密度和气体饱和度的不同组合的结果，例如图6中的281(其具有给定的GZP值和有效孔隙度)。使用多个ρg值，这种关系可以由曲线283定性表示。
我们接下来察看可以从C/O比中获得关于气体饱和度的哪些信息。对给定钻孔直径和套管直径的C/O比依赖于有效孔隙度，岩石中的流体以及钻孔中的流体。在图9中给出了一个实例。横坐标是有效孔隙度，而纵坐标是C/O比。油饱和岩，气饱和岩以及水饱和岩的曲线301、303和305都对应于充满石油的钻孔。曲线307、309、311是充满气体的钻孔的相应曲线，而曲线313、315、317则对应于充满水的钻孔。图9中的曲线对应于在直径8.5英寸(21.59cm)的钻孔以及直径5英寸(12.7cm)的套管中的LS探测器。对于SS探测器，存在类似的曲线。
此外，对给定的有效孔隙度，能够从关于有效孔隙度的多个值的Sg和ρg的不同组合中获得C/O比的测量值。这由曲线287表示于图8中。曲线287和283在点285处的交点给出了对应于GZP和C/O比的观察值的Sg和ρg的唯一解。然后，可以通过气体密度和气体状态方程来确定气体压力。状态方程的最简已知实例是关联1摩尔理想气体的压力P、容积V以及绝对温度T的那个实例；即PV＝RT，其中R是通用气体常数。密集的真实气体具有更复杂的状态方程，但对于天然气这些是可确定的。
本发明的这个实施方案由流程图图10说明。脉冲中子测量在特定的深度下进行353。GZP和C/O比从脉冲中子测量中确定355、357。Sg和ρg从已知的有效孔隙度值351中确定359，如前面所讨论的。气体压力可以使用状态方程来确定361。该测量353对其他深度重复进行。如上所述，GZP测定是与岩性相关的而且还要考虑套管的影响。考虑到由SS和XLS探测器所估计的C/O比的差异，可以使用单个的或加权组合的估计。
前面所描述的方法是用于确定气体饱和度和气体压力的定量方法。这与基于密度确定的现有技术方法相反，该方法对定性地确定气体的存在是有效的，但对定量分析几乎没有价值。
中子源和伽马射线探测器可以用有线线路输送到套管钻孔内。作为选择，传输可以使用平直管线完成。对于平直管线传送的实施方案，数据被保存于适当的存储设备并且可以通过在地面或在远程位置回收存储设备来处理。
在有线线路应用中产生的测量值的处理可以由地面处理器33、由底孔处理器，或在远程位置完成。数据获得至少可以部分地由井下电子设备控制。适合的机器可读媒体上的计算机程序的使用内含于控制和数据处理中，该计算机程序使处理器能够执行控制和处理。机器可读媒体可以包括ROM、EPROM、EEPROM、闪速存储器和光盘。术语处理器意指包括像现场可编程门阵列(FPGA)那样的设备。
虽然上述公开内容针对本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员，各种修改将是显而易见的。在附加权利要求的范围和本质内的所有这种变化都应当由上述公开内容所包含。
Claims (22)
1.一种评估内含有气体的地层的方法，该方法包括：
(a)用地层中的钻孔内的中子源照射地层；
(b)在与所述中子源隔开的至少一个探测器上测量由中子与地层内的核子的相互作用产生的辐射；
(c)从测量中确定指示出钻孔内至少一个深度处的气体饱和度Sg的气体区参数GZP的值；
(d)建立至少两个不同气体饱和度Sg的值的GZP的值；以及
(e)从该确定的GZP的值和该至少两个建立的GZP的值估计气体饱和度Sg的值。
2.根据权利要求1的方法，其中该钻孔包括套管钻孔。
3.根据权利要求1的方法，还包括使用脉冲中子源来照射地层。
4.根据权利要求1的方法，其中所测量的辐射包括产生于非弹性散射的伽玛射线。
5.根据权利要求1的方法，其中所述至少一个探测器包括至少两个探测器，并且该GZP与由该至少两个探测器中的第一个进行的测量与由该至少两个探测器中的另一个进行的测量的比有关。
6.根据权利要求1的方法，其中该至少两个不同气体饱和度Sg的值包括等于0.0的值以及等于1.0的值。
7.根据权利要求1的方法，其中建立GZP的值还包括使用(i)地层矿物学、(ii)地层孔隙度、(iii)工具响应特性、(iv)地层流体密度、(v)钻孔流体密度、(vi)钻孔直径、(vii)套管直径、(viii)气体密度，以及(ix)状态方程中的至少一项。
8.根据权利要求1的方法，其中建立GZP的值还包括使用蒙特卡罗模拟。
9.根据权利要求1的方法，其中该至少一个深度还包括多个深度，该方法还包括在多个深度中的每个深度下显示确定的GZP的值以及建立的至少两个不同气体饱和度Sg的值的GZP的值。
10.根据权利要求1的方法，其中所测量的辐射包括伽马辐射。
11.根据权利要求1的方法，其中估计气体饱和度Sg的值还包括使用(i)线性内推法、(ii)非线性内推法、(iii)线性外推法，以及(iv)非线性外推法中的至少一种方法。
12.一种用于评估内含有气体的地层的装置，该装置包括：
(a)一种被配置为输送到地层中的钻孔内的中子源，并且该中子源被配置为照射地层；
(b)与所述中子源隔开的至少一个探测器，所述探测器被配置为产生指示出中子与地层中的核子的相互作用结果的信号；以及
(c)一个处理器，被配置为：
(A)从所述信号确定指示出钻孔内至少一个深度处的气体饱和度Sg的气体区参数GZP的值，
(B)建立至少两个不同气体饱和度Sg的值的GZP的值；以及
(C)从该确定的GZP的值和该至少两个建立的GZP的值估计气体饱和度Sg的值。
13.根据权利要求12的装置，其中该钻孔包括套管钻孔。
14.根据权利要求12的装置，其中该中子源还包括脉冲中子源。
15.根据权利要求12的装置，其中该相互作用包括非弹性散射。
16.根据权利要求12的装置，其中所述至少一个探测器包括至少两个探测器，并且该GZP与由该至少两个探测器中的第一个进行的测量与由该至少两个探测器中的另一个进行的测量的比有关。
17.根据权利要求12的装置，其中该至少两个不同气体饱和度Sg的值包括等于0.0的值以及等于1.0的值。
18.根据权利要求12的装置，其中该处理器还被配置为使用(i)地层矿物学、(ii)地层孔隙度、(iii)工具响应特性、(iv)地层流体密度、(v)钻孔流体密度、(vi)钻孔直径、(vii)套管直径、(viii)气体密度，以及(ix)状态方程中的至少一项来建立GZP的值。
19.根据权利要求12的装置，其中该处理器还被配置为至少通过部分使用蒙特卡罗模拟来建立GZP的值。
20.根据权利要求12的装置，其中该至少一个深度还包括多个深度，并且其中该处理器还被配置为于多个深度中的每个深度处显示确定的GZP的值以及建立的至少两个不同气体饱和度Sg的值的GZP的值。
21.根据权利要求12的装置，还包括一个被设置为将中子源传送到钻孔内的传输设备，该传输设备选自(i)有线线路和(ii)平直管线。
22.根据权利要求12的装置，其中该至少一个探测器被配置为响应于伽马辐射。
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