CN101598017B - 方位中子孔隙度随钻测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方位中子孔隙度随钻测量装置，包括：加速器中子源，安装于钻铤泥浆通道的中心轴线位置上；快中子监测探测器，实时监测加速器中子源的输出；多个近、远中子探测器，间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上，近中子探测器和远中子探测器位于同一纵向轴线；其中一组同轴近、远中子探测器设定为参考探测器，安装方位测量传感器的电路板与参考探测器组同轴；非易失数据存储器件，用于各种测量参数的存储；总控处理电路，根据方位测量电路两次方位测量数据的差异是否超过预设判定值，来判断装置是处于旋钻或滑钻模式，分别控制测量当处于旋钻模式和滑钻模式时的方位中子孔隙度。本发明兼顾随钻测量装置的旋转和滑行两种工作状态，在任何钻井模式下都可进行方位中子孔隙度测量。

Description

方位中子孔隙度随钻测量装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井作业的随钻测量装置，特别涉及地质导向钻井系统中的方位中子孔隙度参数的随钻测量装置。

背景技术

方位中子孔隙度是地质导向钻井系统中用来进行实时地层评价、提供钻井导向信息的重要地质参数。方位中子孔隙度随钻测量技术是在传统电缆补偿中子孔隙度测量技术的基础上发展起来的，是一种可以在钻井过程中实时测量钻孔周围不同方位地层孔隙度的测量方法。在水平井和大斜度井的钻井过程中，由于钻孔周围钻遇地层在井身方向上往往是非轴对称的，因此测量井周方向360°范围内的方位孔隙度参数则尤为重要和必需。方位孔隙度测量数据不仅能够通过分析各方位区的测量结果，获得最佳的地层孔隙度数据；同时，通过方位数据取平均还可在大范围内平均不规则裂缝和碎屑孔隙度；此外，方位孔隙度测量数据还可用于实施井周地层孔隙度成像。

在美国专利公开说明书(No.4814609和No.4879463)中公开了包括中子孔隙度随钻测量在内的早期的测量方法和装置，方位中子孔隙度的测量是通过分布在相对中子源近距和远距的两组中子探测器来完成的。中子孔隙度测量采用的是同位素中子源(Am-Be中子源)，并采取了防止中子源丢失的措施，一旦装置遇卡钻时能够及时打捞出中子源。但这种方法的缺点是在钻具旋转时，得不到方位中子孔隙度测量数据。

在美国专利公开说明书(No.5473158和No.5513528)公开的中子孔隙度随钻测量方法中，介绍了在旋转钻井时包括方位中子孔隙度参数在内的随钻测量方法，通过方位数据的精确测量，将实时获取的中子孔隙度数据作为方位角的函数。但从辐射和安全的角度来看，这两种方法的共同问题是，应用在随钻测井中的同位素中子源更容易在钻具卡在地层中时不幸丢失在井中，从而带来操作安全和环保方面的巨大风险。

在中国授权的发明专利(申请号为95196200.0)中，W·A·路密斯等人公布了基于加速器中子源的中子孔隙度随钻测量方法，采用一个高能中子加速器，通过一个近中子探测器、一个或多个中距的超热中子探测器测量的中子通量输出进行计算，获得与中子孔隙度有关的地层含氢指数和中子减速长度等参数的测量结果，测量可记录为钻孔深度和方位角两者中至少一个的函数。这一装置是一功能齐全的综合性随钻测井系统，包括了所有的随钻测井方法，孔隙度测量只是其中的一项。然而由于这种装置的设计是针对旋转钻井系统的，在滑行钻井的时便不能获得井周全方位的孔隙度测量数据。并且这种装置也不能进行单一地质参数的测量，比如单独一项孔隙度测量就需动用整个庞大的系统。另外，当钻具不旋转时，所有参数的测量变为固定方位测量方式，无法获得井周360°范围内的方位孔隙度数据，只能获得一个固定方位的中子孔隙度测量数据，如果在此方位上，中子探测器倘若位于与井壁间隙较大的一侧，则很难获得准确的地层孔隙度数据。

中国发明专利公开说明书(CN1851232A)中公开的随钻中子孔隙度测井仪不具备方位中子孔隙度测量能力。

在上述各种现有技术中，用于旋转钻井模式时井周方位测量的传感器均须在钻铤上安装独立的方位测量传感器或调用其他模块的与方位有关的测量结果，如倾角测量等。而在全部钻井井段内，要获得精确的方位测量数据需在测量探测器附近安装相应的磁力计和加速度计，而磁力计的安装要求钻铤为无磁钻铤，并且磁力计的安装要求也非常严格，需避开一切其他电子器件的干扰。尽管如此，由于地磁相对比较弱，方位测量还是要受到各种电磁环境背景磁场的干扰，这是现有技术的共同缺陷。

发明内容

在现有常规钻井系统中，由于钻具通常处于旋转和滑行两种钻进状态，而现有的基于加速器中子源的中子孔隙度技术是针对旋转系统而设计的。本发明的目的在于提出一种基于加速器中子源的能适应不同钻井模式的模块化方位中子孔隙度测量方法和装置。提出的方法既适用于旋转地质导向钻井系统，也适用于滑行地质导向钻井系统，而且适于用旋转和滑行交替工作的地质导向钻井系统的，基于加速器中子源的方位中子孔隙度随钻测量方法和装置。此外，发明方位中子孔隙度随钻测量装置目的还在于提供单独的孔隙度地质参数随钻测量，或者同其他测量装置模块一起完成多种地质参数的随钻组合测量。解决目前方位角测量方法存在的问题和局限。

本发明的目的是提供一种方位中子孔隙度随钻测量装置，以达到兼顾随钻测量装置的旋转和滑行两种情况，在任何钻井模式下都可进行的方位中子孔隙度测量的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种方位中子孔隙度随钻测量装置，安装于地质导向钻井系统钻具的上方，该装置包括：

一加速器中子源，固定在钻铤泥浆通道的中心轴线位置上；

一快中子监测探测器，安装在屏蔽体靠近加速器中子源靶端的一侧，实时监测加速器中子源的输出；

多个近中子探测器，间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上；

多个远中子探测器，间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上；

近中子探测器与加速器中子源的距离小于远中子探测器与加速器中子源的距离，每个近中子近探测器分别与一个远中子探测器位于上下同一纵向轴线上；

其中一对上下同一轴线上的近、远中子探测器设定为参考探测器组；

至少一方位测量电路板，与参考探测器组位于相同轴线上；

数据存储器件，用于各种参数的存储；

总控处理电路，根据方位测量电路测量的两次方位数据差值是否大于预设判定值来判断钻具是处于旋转模式或滑钻模式，当处于旋转模式时，通过方位传感器的测量、参考探测器组的测量得到不同方位的中子孔隙度。当处于滑钻模式时，通过分布于不同方位上的各个近、远中子探测器的测量得到不同方位的中子孔隙度。通过不同方位的中子孔隙度求平均，还可得到井周地层的平均孔隙度。

还包括近、远中子探测器计数脉冲信号调理电路，分别将近、远中子探测器输出的微弱信号调理为可供计数电路测量的脉冲信号；近、远中子方位计数率测量电路，通过所述脉冲信号在旋转钻井模式下对井周方位扇区内热中子通量的测量。

加速器中子源由中子管、中子管高压电路和中子发射控制电路组成。

加速器中子源通过多个支架固定在钻铤的泥浆通道内，供电电压和控制信号通过一个支架内的导线孔输出到所述加速器中子源。

加速器中子源的下方设置快中子屏蔽体，用于屏蔽进入泥浆道的快中子。

方位测量电路采用单片磁阻式传感器和单片加速度计。

单片磁阻式传感器为三轴磁阻式集成方位传感器。

还包括数据和命令通信接口，接收来自上位机的控制命令，发送测量数据到上位机；不间断系统时钟，用于测量的实时监测和记录；系统供电电路，用于将复用电源线上的电源电压变换为本模块所需的低压电源。

当为旋转模式时，近、远参考探测器的计数值分别存入各个计数区，在每区计数结束后，将计数值累加到相应的方位计数累积区；当一次深度获取周期结束后，方位计数累积区的数据被转存到待发送数据区，并将方位数据区清零：将待发送数据区的计数值通过中子监测输出校正，进行归一化处理，并将各个方位区的孔隙度和井周平均孔隙度计算结果发送到上位机或保存到数据存储区。

当为滑钻模式时，直接将各计数值存入待发送数据区，然后进行归一化、计数率和孔隙度计算。

由此本发明的有益效果是：方位中子孔隙度随钻测量装置是地质导向钻井系统的配套工具，因此测量装置的设计必须具有一定的针对性。在我国现有的常规钻井系统中，钻具通常处于旋转和滑行两种钻进状态。而国外现有的基于加速器中子源的中子孔隙度随钻测量是针对旋转导向钻井系统而设计的，因此，这种方法并不适用于当钻具处于滑行状态下的情况。

本发明兼顾了随钻测量装置的旋转和滑行两种情况，在任何钻井模式下都可进行的方位中子孔隙度测量。针对我国的国情，对于地质情况相对比较简单，或处于经济的考虑，往往只需进行少数地质参数的测量，本发明设计成模块化结构，便于单独测量或组合测量。

目前，国内还没有具有自主知识产权的中子孔隙度随钻测量装置，但是中子孔隙度却是地质导向钻井系统进行实时地层评价非常重要和必需的地质参数。因此，填补国内空白，打破国外垄断，研制适合我国国情的随钻测量装置，武装国内钻井工程队伍，其经济效益和社会效益是巨大的。

附图说明

图1是本发明的方位中子孔隙度随钻测量装置在导向钻井系统中的位置图；

图2是本发明的方位中子孔隙度随钻测量装置的结构示意图；

图3是图2中28-28处的截面图，显示加速器中子源在钻铤中的位置；

图4是图2中32-32处的截面图，显示近中子探测器在钻铤圆周的分布；

图5是本发明的方位中子孔隙度随钻测量的电路原理框图；

图6是本发明的方位中子孔隙度随钻测量的方位测量流程图；以及

图7是本发明的方位中子孔隙度随钻测量的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰易懂，下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1，图1是本发明的方位中子孔隙度随钻测量装置在导向钻井系统中的位置图。本发明方位中子孔隙度随钻测量装置5安装于地质导向钻井系统1中，位于钻头2的上部，在钻具3和钻杆4之间。方位中子孔隙度随钻测量装置5测量钻孔8周围的地层6，泥浆通道7贯穿于整个钻井系统。

请参考图2到图4，图2是本发明的方位中子孔隙度随钻测量装置的结构示意图。图3是图2中28-28处的截面图，显示加速器中子源在钻铤中的位置。图4是图2中32-32处的截面图，显示近中子探测器在钻铤圆周的分布。方位中子孔隙度随钻测量装置5包括：

(1)承载装置主体的普通钻铤20，泥浆液通道21位于钻铤中心。此外，钻铤20为非无磁钻铤。

(2)采用加速器中子源辐照钻孔周围地层，中子输出通量可以通过一定电压、频率、宽度的电脉冲信号控制。加速器中子源22位于装置的中心轴线位置，通过多个支架23固定在钻铤的泥浆通道内；加速器中子源22由中子管和中子管高压电路和控制电路组成；供电电压和控制信号通过一个支架23内的导线孔24输出到加速器中子源22；中子管的靶端29位于加速器的下部。

(3)加速器中子源22的下方为快中子屏蔽体30，用于屏蔽进入泥浆道的快中子。

(4)加速器中子源22的输出通过快中子监测探测器31进行实时监测，中子通量测量结果用于方位中子孔隙度校正。快中子监测探测器31安装在屏蔽体靠近加速器中子源22的靶端29一侧，中子监测探测器31的输出通过一个支架23中的导线孔24传送给中子测量电路27a，然后通过总控电路27b对中子计数率测量进行规一化处理。

(5)在距中子源纵向较近位置的钻铤外壁圆周，间隔分布多个小尺寸中子探测器，称近中子探测器组25。主要用于记录来自井眼和周围地层不同方位的热中子通量计数，记录的超热中子主要反映井眼介质对中子的减速情况。近中子探测器组阵列25间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上，距中子源纵向的距离为25cm-40cm。中子探测器的数量根据所需的方位分辨率确定，数量范围为4-20。

(6)在距中子源纵向较远位置的钻铤外壁圆周，间隔分布多个大尺寸中子探测器，称远中子探测器组26。主要用于记录来自井眼和周围地层不同方位的热中子通量计数，记录的超热中子主要反映地层对中子的减速情况。远中子探测器组26间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上，中子探测器的数量根据所需的方位分辨率确定。

(7)近中子近探测器组25与远中子探测器组26中每个独立的探测器分布在上下同一纵向轴线上。近中子近探测器组25与远中子探测器组26中，其中上下同一轴线上的一对探测器设定为参考探测器组，例如中子参考探测器25a和远中子参考探测器26a。并且，近中子参考探测器25a和远中子参考探测器26a与方位测量电路板27c安装于同一轴线上。

(8)方位测量电路27c中的方位角的测量采用单片磁阻式传感器和单片加速度计，二者通过芯片焊接安装于电路板上。

(9)装置的所有电子线路，如中子测量电路27a、控制电路27b和方位测量电路27c、电源和信号等传输线均安装在钻铤壁中。

本发明的方位中子孔隙度随钻测量装置，在滑行钻井模式下，通过近、远中子探测器组中各个不同方位上探测器的计数测量结果来计算各个方位的中子孔隙度。在旋转钻井模式下，通过参考探测器的中子计数测量，方位传感器的测量，来推算不同方位的中子孔隙度。在旋转模式下测量时，360度圆周被划分成有限个方位扇区(比如8个)。在一次孔隙度测量(或一次深度获取)间隔内钻具通常旋转几十圈，每旋转一周，每个方位得到一个中子计数测量值。一次深度获取结束后，每个方位扇区的中子计数，是将每次旋转得到的方位扇区计数进行累加得到的。然后通过计算得到各个方位的计数率，进而通过近、远计数率比值与孔隙度的函数关系将其换算为中子孔隙度。

请参照图5，图5是本发明的方位中子孔隙度随钻测量的电路原理框图。方位中子孔隙度随钻测量主要是通过装置中的电子线路和各种测量传感器在嵌入式处理器系统的管理下完成的。方位中子孔隙度随钻测量电子线路的作用是将中子探测器组测量得到的电信号转化为中子孔隙度参数，然后将其存储在仪器内或输出到传输单元。本发明的方位中子孔隙度随钻测量的电路结构包括：

1)加速器中子源102，由中子发射单元、中子管高压电路和中子发射控制电路组成；

2)快中子监测探测器104和快中子信号处理电路108，用于监测加速器中子源发射的快中子通量；

3)近中子探测器105和远中子探测器106，用于探测加速器中子源发射的快中子经井眼和地层减速后的热中子或超热中子；

4)近、远探测器计数脉冲信号调理电路107，将探测器输出的微弱信号调理为可供计数电路测量的脉冲信号；

5)方位测量电路114，用于测量钻井过程中探测器在井周相对于地磁北或工具高边的方位角；

6)近中子方位计数率测量电路109和远中子方位计数测量电路110，用于在旋转钻井模式下对井周方位扇区内热中子通量的测量；

7)总控处理电路模块103，由执行不同任务的多个微控制器组成，其中一个为主控制器，其他为从控制器，微控制器之间通过内总线通信；

8)外部数据存储器阵列112，用于各种测量参数的存储，采用非易失存储器件；

9)数据和命令通信接口113，接收来自上位系统主机的控制命令，发送本单元模块测量数据到上位机；

10)不间断系统时钟111，用于系统测量的实时监测和记录，此部分电路由电池供电；

11)系统供电电路100，用于将复用电源线上的电源电压变换为本模块所需的低压电源。

请参照图6，图6是本发明的方位中子孔隙度随钻测量的方位测量流程图。下面结合图6说明本发明方位中子孔隙度随钻测量中判断工作模式是旋转模式还是滑行模式的方法。

方位中子孔隙度随钻测量除了获得深度方向上的地层孔隙度参数外，还需进行井周方向上，不同方位扇区的测量。本发明中涉及的方位测量指的是，仪器断面上，探测器位置在井周的方位。方位计数则指的是探测器在方位扇区中的计数操作。这里的方位测量是为获得探测器的相对方位，如果以地磁北为参考，仪器每旋转一固定角度(如45°)，测量电路便产生一方位脉冲信号，该信号用于方位区计数的读取和累加。

本发明采用三轴磁阻式集成方位传感器，安装于印制电路板上，具有体积小、功耗低、易于安装，且温度特性好、实时性和抗干扰能力强、误差不随时间积累等特点。磁阻传感器是利用磁原理测量地磁场沿载体坐标系分量。三轴磁阻传感器输出信号，经放大器放大后，再由A/D转换将检测到的模拟信号转换为数字信号，由相应的处理器对其进行方位计算和判断，方位角测量结果通过软件进行实时磁场校正。

由于方位传感器和探测器的相对位置是固定的，比如相对地磁北，当仪器转动到0°、90°、180°、270°的位置时，对应的方位传感器输出的值是不同的，可以在软件里判断各轴的数据，不必计算角度值，当到达每个方位角位置时则通过软件产生一脉冲信号，该信号可作为中断信号控制两个参考探测器计数器的启停。

参见附图6，探测器方位的测量周期由系统时钟分频得到，在每个方位测量周期内，启动方位传感器A/D转换，读取转换的结果，将本次测量的方位数据与前次或前几次测量的方位数据进行比较，判断钻头是否旋转。如果钻头处于旋转状态，两次方位测量的差异将会大于某个特定的值，否则处于滑钻状态。如果仪器旋转进入下一方位区，则发一方位获取脉冲，用于控制前一方位计数器数据的读取和新方位区计数采集的启动。

沿井周的中子探测器方位计数率获取是方位中子孔隙度随钻测量的基础。当钻具处于旋转状态时，方位计数率是根据方位测量的结果来控制参考近、远中子探测器计数通道的计数和存储。当钻具处于滑行状态时，方位计数率则直接采用分布在仪器周围各个方位区的中子探测器测量结果，各探测器的方位可由参考探测器的方位推算得出。

请参照图7，图7是本发明的方位中子孔隙度随钻测量的流程图。下面说明本发明的方位中子孔隙度随钻测量步骤：

首先，完成监测计数器的处理，然后根据方位数据判断方位中子孔隙度随钻测量装置是处于旋钻还是滑钻状态。如果装置处于旋转状态，除参考中子探测器外，其它探测器均不工作，处理器控制其处于关断状态。两个近、远参考探测器测量的定时和启/停是在处理器的控制下工作的，除中子监测探测器计数外，两个参考探测器的计数分别存入各自的各个方位计数区，每区计数结束后，将计数值累加到相应的计数区，称方位计数累积区。当一次深度获取周期结束后，方位计数累积区的数据被转存到另一数据区进行处理和计算，结果仍放入该区等待发送，这个区称为待发送数据区。方位计数累积区的数据转存到待发送数据区，并将方位数据区清零，为下一次方位中断计数采集做准备。将待发送数据区的计数通过中子监测输出校正，进行归一化处理，并将各个方位区的孔隙度和井周平均孔隙度计算结果发送到上位机或保存到数据存储区。

当装置处于滑钻状态时，所有近、远中子探测器都在处理器的控制下工作，方位测量被禁止。深度中断直接处理各个方位探测器的计数操作，读取各计数器的值，并将其存入待发送数据区，然后进行计数率归一化和孔隙度计算。在一次获取完成之前，置获取完成标志供主流程查询。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种方位中子孔隙度随钻测量装置，其安装于钻铤之中，其特征在于，该装置包括：

一加速器中子源，固定在钻铤泥浆通道的中心轴线位置上；

一快中子监测探测器，安装在屏蔽体靠近加速器中子源靶端的一侧，实时监测加速器中子源的输出；

多个近中子探测器，间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上；

多个远中子探测器，间隔分布于钻铤壁靠近地层的圆周上；

近中子探测器与加速器中子源的距离小于远中子探测器与加速器中子源的距离，每个近中子近探测器分别与一个远中子探测器位于上下同一纵向轴线上；

其中一对上下同一轴线上的近、远中子探测器设定为参考探测器组；

至少一方位测量电路板，与参考探测器组位于相同轴线上；

非易失数据存储器件，用于各种参数的存储；

总控处理电路，根据方位测量电路板测量的两次方位数据差值是否大于预设判定值来判断装置是处于旋转模式或滑钻模式，当处于旋转模式时，通过方位传感器的测量、参考探测器的测量，然后计算处理得到不同方位的中子孔隙度当处于滑钻模式时，通过各个方位上近、远中子探测器组的测量，然后计算处理得到不同方位的中子孔隙度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

近、远中子探测器信号调理电路，分别将近、远中子探测器输出的微弱信号调理为可供计数电路测量的脉冲信号；

近、远中子方位计数率测量电路，通过所述脉冲信号在旋转钻井模式下对井周方位扇区内热中子通量的测量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加速器中子源由中子管、中子管高压电路和中子发射控制电路组成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加速器中子源通过多个支架固定在钻铤的泥浆通道内，供电电压和控制信号通过一个支架内的导线孔输出到所述加速器中子源。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加速器中子源的下方设置快中子屏蔽体，用于屏蔽进入泥浆道的快中子。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述方位测量电路板采用单片磁阻式传感器和单片加速度计。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述单片磁阻式传感器为三轴磁阻式集成方位传感器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括：

数据和命令通信接口，接收来自上位机的控制命令，发送测量数据到上位机；

不间断系统时钟，用于测量的实时监测和记录；

系统供电电路，用于将复用电源线上的电源电压变换为本模块所需的低压电源。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：当装置处于旋转模式时，参考探测器的计数值分别存入各个计数区，在每区计数结束后，将计数值累加到相应的方位计数累积区；当一次深度获取周期结束后，方位计数累积区的数据被转存到待发送数据区，并将方位数据区清零；将待发送数据区的计数值通过中子监测输出校正，进行计数率归一化处理，并将各个方位区的孔隙度和井周平均孔隙度计算结果发送到上位机或保存到数据存储区。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：当装置处于滑钻模式时，直接将各计数值存入待发送数据区，然后进行计数率归一化和孔隙度计算。

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