CN102933793A - 利用基于钻头的有源辐射源和伽玛射线检测器进行地层评估 - Google Patents

Abstract

根据一种实施方式制造的钻头包括配置成在钻取井筒的过程中把辐射感生到地层中的源和在钻头中配置成检测响应由源感生的辐射的、来自地层的辐射的传感器。钻头还可以包括配置成处理从传感器接收到的信号以便估计地层属性的电路。

Description

利用基于钻头的有源辐射源和伽玛射线检测器进行地层评估

对相关申请的交叉引用

本发明要求于2010年4月19日提交的美国临时专利申请序列号61/325,423的优先权。

技术领域

本公开内容总体上涉及包括传感器的钻头，所述传感器用于提供与检测来自地层的伽玛射线相关的测量结果。

背景技术

油井（井筒）通常是用包括具有钻井组件（也称为井底钻具组件或者“BHA”）的管状组件的钻柱来钻取的，钻头附接到该钻井组件的底端。钻头旋转，使地层破裂，从而钻出井筒。BHA包括用于提供与涉及钻井操作、BHA行为以及被钻井筒周围地层的多个参数（地层参数）有关的信息的设备与传感器。包括辐射检测器在内的、通常称为随钻测井（LWD）传感器或者随钻测量（MWD）传感器的多个传感器设置在BHA中，用于估计地层的属性。检测在大地中自然发生的伽玛射线（“无源测量”）或者检测响应于从辐射源引起的辐射的、从地层中发射的辐射（“有源测量”）的辐射传感器设置在BHA中。当钻头从一种类型的地层移动到另一种类型的地层时，例如从页岩移动到沙砾或者反过来时，这样的传感器不紧邻地层，并且可能无法提供与区分岩层相关的高分辨率结果。此外，辐射传感器的这种设置无法提供关于钻头前面的地层的信息。

因此，需要基于钻头的无源和有源辐射传感器，以提供在钻取井筒的过程中对地层属性的改进的估计。

发明内容

在一个方面，本公开内容提供了一种钻头，所述钻头包括钻头体和钻头体中的辐射传感器。在一个方面，辐射传感器配置成检测来自被钻地层的自然发生的伽玛射线（在这里称为“无源模式”）。在另一个方面，辐射传感器检测响应于由源感生到地层中的辐射的散射的辐射（在这里称为“有源模式”）。在一个方面，源可以选择性地被激活和停用，使得自然发生的射线和散射的射线可以在不同的时间周期或窗口中被检测到。在一个方面，源可以设置在钻头中。辐射传感器可以集成到位于钻头体上的刀具中、柄中或者任何其它合适的位置中。源可以是自然发生的伽玛射线源，例如钾、铀和/或钍。辐射源可以是伽玛射线源或者中子源。辐射传感器可以是伽玛辐射和/或中子传感器。

在另一个方面，本公开内容提供了制造钻头的方法。在一个方面，该方法可以包括：提供钻头；把配置成检测来自地层的辐射的辐射传感器设置在钻头中；把辐射源设置在钻头中；提供控制电路，该控制电路在于地层中钻取井筒的过程中选择性地激活和停用所述源。

在又一方面，本公开内容提供了在地层中钻取井筒时使用的钻井系统。该钻井系统可以包括具有位于钻具组件一端的钻头体的钻头；设置在钻头中并且配置成提供代表从被钻地层所检测到的辐射的信号的辐射传感器；配置成把辐射感生到地层中的源；以及配置成利用从传感器接收到的信号估计关于被钻地层的感兴趣参数的处理器。所希望的感兴趣参数可以是地层和/或矿床边界的岩性。

在又一方面，本公开内容提供了在地层中钻取井筒的方法。该方法可以包括利用具有辐射传感器的钻头钻取井筒；检测来自被钻地层的辐射，所检测到的辐射是地层中自然发生的伽玛射线和/或响应有源感生的辐射而散射的辐射中的一种；以及处理检测到的辐射，来估计关于地层的感兴趣的属性。

对在此所公开的装置与方法的某些特征的例子进行了有些广义地概述，以便可以更好地理解以下对其的具体描述。当然，下文中公开的装置与方法还有将构成所附权利要求主题的附加特征。

附图说明

为了详细理解本公开内容，应当联系附图参考以下具体描述，在附图中相同的元件通常用相同的标号来指示，其中：

图1是用于钻取井筒的钻井系统的示意图，包括具有钻头的钻柱，其中钻头是根据本公开内容的一种实施方式制造的；

图2是根据本公开内容一种实施方式的示例性钻头的等距视图，示出了辐射传感器在钻头中的设置和用于对由辐射传感器产生的信号进行至少部分处理的电路；以及

图3示出了在根据本公开内容一种实施方式的示例性钻头中辐射传感器与源的设置。

具体实施方式

本公开内容涉及使用钻头中的辐射传感器从被钻地层检测自然发生的伽玛射线与响应由源感生的辐射而产生的辐射的设备与方法。本公开内容容许有不同形式的实施方式。附图示出并且说明书描述了本公开内容的具体实施方式，但应当理解本公开内容应当被看作所公开内容原理的示例而不是要把所公开内容限制到在此所说明和描述的公开内容。

图1是示例性钻井系统100的示意图，该系统可以使用在此所公开的钻头来钻取井筒。图1示出了井筒110，包括在其中安装了外套112的上段111和用钻柱118钻取的下段114。钻柱118包括在其底端携带钻具组件130（也称为井底钻具组件或者“BHA”）的管状组件116。管状组件116可以通过连接钻管部分来形成或者它也可以是盘管。钻头150附接到BHA 130的底端，以使岩层破裂，从而在地层119中钻出选定直径的井筒110。没有示出例如推进器、稳定器、定心器的设备和例如用于在期望方向引导钻具组件130的引导单元的设备。术语井筒和钻孔在这里作为同义词使用。

钻柱118示为从位于地面167的钻塔180传送进入井筒110。为了方便解释，图1中示出的示例性钻塔180是陆地钻塔。在此所公开的装置与方法还可以与用于钻取海上井筒的钻塔一起使用。在地面处耦合到钻柱118的转台169或者顶驱（未示出）可以用于旋转钻柱118并由此旋转钻具组件130和钻头150来钻取井筒110。也可以提供钻井电动机155（也称为“泥浆马达”）来旋转钻头。控制单元（或者控制器）190可以是基于计算机的单元，其可以设置在地面167处，用于接收和处理由钻头中的传感器和钻具组件130中的其它传感器发送的数据，并且用于控制钻具组件130中各种设备和传感器的选定操作。在一种实施方式中，地面控制器190可以包括处理器192、用于存储数据的数据存储设备（或者计算机可读介质）194和计算机程序196。数据存储设备194可以是任何合适的设备，包括但不限于只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、闪存存储器、磁带、硬盘和光盘。为了钻取井筒，来自钻井液源179的钻井液在压力下泵送到管状组件116中。钻井液在钻头150的底部释放并且经钻柱118与井筒110内壁之间的环形空间（也称为“环带”）返回地面。

仍然参考图1，钻头150可以包括一个或多个辐射源162。在一个方面，辐射源可以是伽玛射线源，例如铯-137（CS-137）。当伽玛射线辐射感生到地层中时，所感生出的伽玛射线与地层相互作用并散射。钻头还可以包括传感器，所述传感器被配置成检测来自地层的、响应由伽玛射线源感生的伽玛射线而散射的伽玛射线。这种传感器还可以用于检测地层中自然发生的伽玛射线。自然发生的伽玛射线是在没有从辐射源感生的伽玛射线的情况下由地层发射的伽玛射线。这种自然发生的伽玛射线在这里称为无源伽玛射线，并且其中检测无源伽玛射线的工作模式称为无源模式。在另一个方面，源162可以是中子源，例如镅-241/铍（AmBe）源。当在地层中感生中子辐射时，中子在地层中散射。在这种情况下，钻头中的传感器检测到来自地层的散射中子。有时候，感生出的辐射可能造成地层中二次辐射的发射。散射辐射和二次辐射在这里都称为二次辐射，并且其中检测二次辐射的工作模式称为有源模式。在另一个方面，钻头可以既包括中子源和传感器，又包括伽玛射线源和传感器，以便检测来自地层的伽玛射线与中子。在又一方面，来自源162的辐射可以选择性地暴露给地层，使得传感器160在地层暴露给这种辐射之后在特定时间段内检测二次辐射。在来自源的辐射没有暴露给地层的时间段内，可以检测到无源伽玛射线。钻具组件130还可以包括一个或多个井下传感器（也称为随钻测量（MWD）传感器）（由标号175统一指示）及至少一个用于处理从MWD传感器175和钻头150接收到的数据的控制单元（或者控制器）170。控制器170可以包括例如微处理器的处理器172、数据存储设备174和程序176，该程序由处理器用于处理井下数据并且经双向遥测单元188与地面的控制器190交换数据。遥测单元188可以利用通信上行链路和下行链路。示例性通信可以包括泥浆脉冲遥测、声学遥测、电磁遥测及沿钻柱118设置的一个或多个导体（未示出）（也称为有线管道）。数据导体可以包括金属线、光纤线缆或者其它合适的数据载体。动力单元178向钻头和BHA中的电气传感器与电路提供动力。在一种实施方式中，动力单元178可以包括由钻井液和发电机驱动的涡轮。

MWD传感器175可以包括用于测量近钻头方向（例如，BHA方位角和倾斜、BHA坐标等）、双旋转方位角辐射、钻孔与环带压力（流动和溢放（flow-on&flow-off））、温度、振动/运动、多传播电阻率的传感器，以及用于进行旋转方向勘测的传感器与工具。示例性的传感器还可以包括用于确定与地层、钻孔、地球物理特性、钻井液和边界条件有关的感兴趣参数的传感器。这些传感器包括地层评估传感器（例如，电阻率、介电常数、含水饱和度、孔隙度、密度和渗透性）、用于测量钻孔参数的传感器（例如，钻孔尺寸和钻孔粗糙度）、用于测量地球物理参数（例如，声速和声波传输时间）的传感器、用于测量钻井液参数（例如，粘度、密度、透明度、流变能力、pH水平、以及气、油和水的含量）的传感器、边界条件传感器、及用于测量钻井液的物理和化学属性的传感器。钻头中的辐射源与传感器的细节参考图2-4更具体地描述。

图2示出了示例性钻头150的等距视图，该钻头150可以包括设置在钻头中的合适位置的辐射传感器（总体上由标号240指示）和源（总体上由标号270指示）。出于解释的目的，示出了聚晶金刚石复合片（PDC）钻头。对于本公开内容，任何其它类型的钻头都可以使用。钻头150示出为包括钻头体212，该钻头体包括锥体212a和柄212b。锥体212a包括多个叶片轮廓（或者说轮廓）214a、214b、…、214n。沿每个轮廓设置多个刀具。例如，轮廓214a示为包含刀具216a-216m。所有轮廓都示为在钻头150的底部或面215终止。每个刀具都具有切割表面或者切割元件，例如刀具216a的元件216a’，当钻头在钻取井筒的过程中旋转时，该切割元件与岩层啮合。

图2示出了用于辐射传感器240的多个位置。在一种布置中，辐射传感器240a可以设置在柄212b中。在另一种实施方式中，辐射传感器240b可以集成到刀具中。这种传感器可以设置在钻头150中任何其它合适的位置，包括但不限于顶部212a，例如辐射传感器240c。辐射传感器240a、b、c可以配置成接收沿轴向位于钻头前面或者各方位角位置的地层的自然辐射和/或二次辐射。导体242把来自传感器封装240的信号提供给电路250，用于处理传感器信号。电路250或者其一部分可以设置在钻头150中或者钻头的外面。在一个方面，电路250放大来自传感器240的信号并且处理这种信号，以提供所期望的感兴趣的地层属性。

在一个方面，伽玛射线传感器可以利用光学耦合到光电倍增管的传感器元件，例如闪烁晶体，如碘化钠（NaI）晶体。来自光电倍增管的输出信号可以发送到合适的电子器件封装，该电子器件封装可以包括前置放大和放大电路。放大后的传感器信号可以发送到处理器172。在某些应用中，由于其尺寸和光电倍增管的使用，闪烁伽玛射线检测器（例如结合了碘化钠晶体的那些）可能不合适。在本公开内容的某些其它实施方式中，可以使用固态的伽玛射线检测器。这种设备的一个例子在Ruddy等人的U.S.5,969,359中示出。固态检测器相对较小，并且可以在钻头中朝向任何方向。本公开内容的另一种实施方式可以利用光电二极管检测器，其长波长截止在短波长范围内并且具有降低的温度敏感性。光电二极管可以与闪烁设备相匹敌，其中闪烁设备的输出与用于核测井设备的光电二极管的响应曲线匹配。一种示例性的闪烁设备在Estes等人的U.S.7,763,845中公开，该专利具有与本公开内容相同的受让人，其内容通过引用包含于此。在本公开内容的一些实施方式中，可以为传感器提供井下冷却设备，例如使用电子的量子热隧穿的设备。一种示例性的冷却处理在DiFoggio等人的美国专利No.7,571,770中公开，该专利具有与本公开内容相同的受让人，其内容通过引用包含于此。

仍然参考图2，辐射源可以设置在钻头150中任何合适的位置。作为例子，图2示出了设置在锥体212a中的源270a或者设置在柄212b中的源270b。如以上所指出的，源270a可以是任何合适的源，例如铯源，包括但不限于CS-137或者其它的伽玛源和AmBe或者其它的中子源。在一个方面，源270a或者270b可以包括封装在外壳272中的源元件276a，其中外壳272具有可以选择性地打开和关闭持续选定时间段（也称为时间窗口）的窗口274。以这种方式，来自源的辐射可以感生到地层中，持续选定的时间段。视具体情况而定，传感器240a、b、c检测响应于感生的辐射而从地层散射的辐射和/或检测自然发生的伽玛射线。视具体情况而定，源270a和270b还可以包括控制单元278，用于选择性地打开和关闭窗口274，以选择性地激活和停用源元件276a和276b。在一个方面，控制单元278可以是液压操纵的设备，例如通过钻井流体流动驱动的可移动组件（例如开闭器），或者是电气操纵的设备，例如电动机。流体可以在相反的方向提供，来打开和关闭窗口274。

在各方面，传感器封装240a、b、c可以配置成使用伽玛射线谱来确定在地质地层中自然出现的钾、铀和钍浓度的量。因为这些元素与以特征能量发射伽玛辐射的放射性同位素关联，所以对来自这些元素的伽玛辐射的测量是有可能的。地层中存在的每种元素的量可以通过其在给定能量下对伽玛射线通量的贡献来确定。测量这些特定元素浓度的伽玛辐射称为谱剥离，这是指减去能量窗口中不想要的谱元素的贡献。能量窗口包括选择成在伽玛射线能量谱中包括期望元素的特征能量的上下边界。在实践当中，谱剥离可以通过初始在人造地层中用标准条件下钾、铀和钍的已知浓度对工具进行校准来实现。用于检测或测量自然发生的伽玛辐射的说明性设备包括磁谱仪、闪烁谱仪、比例气体计数器和具有固态计数器的半导体。在另一个方面，伽玛射线源与伽玛射线检测器可以配置成测量被源感生到地层中并被地层散射的伽玛射线。然后，可以处理所记录的伽玛射线的能量谱，以测量地层密度。在另一个方面，源与传感器可以配置成检测中子，以确定地层属性，包括中子的孔隙度。

在各个方面，配置成检测自然发生的伽玛射线的基于钻头的伽玛射线传感器可以提供钻头150附近的岩性或岩性变化的早期指示或第一指示。在实施方式中，来自基于钻头的伽玛射线传感器的信号可以用来估计用于被钻地层的能量特征。其后，检测到的能量特征可以与来自具有已知岩性的参考地层的能量特征进行比较或者关联。这种比较或者关联可以用于估计或者预测被钻地层的岩性。在一种实施方式中，传感器封装240可以提供主要的或者唯一的可以从其估计岩性或岩性变化的测量结果。在其它实施方式中，由传感器封装240提供的测量结果可以结合由MWD系统170中的地层评估传感器所提供的测量结果来使用，从而估计岩性特性或者岩性特性中的变化。无源伽玛射线的分析提供不同类型岩石（例如页岩和沙砾）之间的差别。散射或有源伽玛射线的分析提供岩石成分（例如钍、钾和铀）的定量度量，这种度量可以用于估计岩石属性，例如密度。所估计的地层属性可以用于改变一个或多个钻井参数。例如，沙砾比页岩硬得多。因此，例如，当钻头从页岩地层移动到沙砾地层时，使用由伽玛射线分析提供的这种信息的钻孔机可以选择增加钻压和/或降低钻头的旋转速度。以相同的方式，当从沙砾移到页岩时，钻孔机可以选择改变钻井参数，以获得更高的穿透速率。

图3示出了根据本公开内容的一种实施方式的柄212b的某些细节。柄212b包括向钻头150的锥体212a提供钻井液的孔310及围绕孔310的一个或多个环形部分，例如颈部312、凹陷部分314和圆形部分316。颈部312的上端包括凹陷区域318。颈部312上的螺纹319把钻头150连接到钻具组件130（图1）。包含辐射传感器332的传感器封装240可以设置在柄中任何合适的位置。在一个方面，传感器封装240可以设置在柄的部分314中的凹部336中。导体242可以从传感器332延伸到凹部318中的电路250。电路250可以通过从电路250延伸到控制器170的通信链路耦合到井下控制器170（图1）。在一个方面，电路250可以包括放大来自传感器332的信号的放大器和数字化放大后的信号的模数（A/D）转换器（总体上由标号251示出）。电路250还可以包括处理器252（例如微处理器）、存储设备254（例如存储器设备）和程序256，其中处理器252可以访问所述程序256来处理传感器信号。电路250与控制器170之间的通信可以由直接连接、声学遥测或者任何其它合适的方法来提供。对于电路250的电力可以由电池或者经电导体由BHA 130（图1）中的发电机来提供。在另一个方面，传感器信号在没有在先放大的情况下也可以数字化。此外，传感器封装240的全部部件都可以共同地或者单独地位于钻头中。例如，感测元件可以设置在刀具附近，而信号调节元件可以设置在柄212b中。传感器封装240可以设置在钻头体150的表面。如果感测元件凹入钻头150中，那么由对辐射透明的介质形成的窗口可以插在该感测元件与钻头体150的表面之间。此外，源270可以设置在任何合适的位置，包括腔体370。对源的控制单元272的电力可以由电路250中的电池或者从BHA 130提供。如果使用流体打开和关闭源开闭器，那么钻井液可以经控制阀门382经流体通道380引向源控制单元。每次当流体提供给窗口时，它就从其当前位置改变到另一个位置，例如从打开位置改变到关闭位置，或者反过来。

参考图1-3，在钻井操作中，来自传感器332或者电路250的信号可以发送到控制器170。在一种工作模式中，利用井下钻井控制，控制器170可以处理这种信号，来估计岩性特性。其后，控制器170中的处理器172可以至少部分地基于对岩性的估计来控制一个或多个钻井参数。例如，处理器172可以配置成发送命令来改变钻压或者改变钻头150的旋转速度。例如，可以因为相对硬的层在钻头前面而发出降低WOB或者RPM的命令。在另一种情况下，可以因为相对软的层在钻头150前面而发出提高WOB或者RPM的命令。总的来说，钻井人员和/或地面/井下控制设备可以启动对钻井参数的改变，随着钻具组件130进入地层，最优地钻入给定的地层。

在利用地面控制的另一种工作模式中，传感器信号或者所测量出的辐射的计算值可以由控制器170确定，并且发送到地面控制器190，用于进一步处理。所测量出的辐射可以用于估计被钻地层的能量特征。其后，这种估计的能量特征可以与具有已知岩性的地层的能量特征进行比较，来估计被钻地层的岩性。在一个方面，地面控制器190可以利用任何这种信息来引发一个或多个改变，包括但不限于，改变钻压、钻头的旋转速度及流体流的速率，从而提高钻井操作的效率并延长钻头150和钻具组件130的寿命。对钻井参数的调整的早期实现可以提供更有效的钻井，并延长钻头150和/或BHA的寿命。

在又一种工作模式中，利用来自传感器封装240的数据对地层估计的属性可以用于地质引导钻具组件130。由传感器封装240提供的测量结果可以被处理器172和/或192持续地或者周期性地处理，来估计一个或多个特定地下特征的位置。即，所检测到的能量特征可以与所述一个或多个地下特征的预测能量特征进行比较。这种比较可以用于确定所述地下特征是否存在及该地下特征的相对位置。地质引导的目标可以包括在识别出的油水界面附近选定的深度钻斜钻孔、在油水界面之上钻取井筒或者通过地层、在气帽下维持钻井深度、避免页岩透镜体（shale lens）和/或在水平钻井中相对于感兴趣的矿床边界引导路线。在一种实施方式中，辐射传感器测量结果可以用于估计流体接触、矿床边界及其它地下特征的位置或者到其的距离，这种估计可以用于引导钻具组件130。在一种优选的闭环工作模式中，处理器172和/或192包括关于期望的井剖面或轨迹和/或目标地层的期望特性的指令。处理器172和/或192保持对钻井行为的各个方面的控制，以维持关于感兴趣的地下地层的期望位置。例如，在示例性操作中，传感器封装240提供关于自然发生的伽玛射线发射的数据。处理器172可以使用这种数据来评估钻头150前面的地层并确定钻具组件130相对于矿床边界或其它地下特征的接近程度、位置或朝向，并且，如果需要的话，发出防止钻具组件130离开目标地层或进入不期望地层的引导指令。钻具组件130的这种自动化控制可以包括与地面控制单元190的周期性双向遥测通信，其中地面控制单元190从井下处理器172接收选定的传感器数据和处理后的数据并向其发布命令指令。由控制单元190发送的命令指令可以例如基于根据从地面传感器（未示出）和井下传感器接收到的数据的计算。处理器172重新配置钻具组件130的引导单元（未示出），以重新确定钻具组件130的朝向，从而在期望的方向中钻井。

因而，在一个方面，本公开内容提供了一种钻头，在一种实施方式中，该钻头包括钻头中的源和钻头体中的传感器，其中源配置成在钻取井筒的过程中把辐射感生到钻头周围的地层中，而传感器配置成在钻取井筒的过程中检测来自被钻地层的辐射。在一个方面，源包括可以选择性地把辐射暴露给地层的放射性元素。在一种实施方式中，控制单元包括在第一位置把来自源的辐射暴露给地层并且在第二位置防止来自源的辐射暴露给地层的组件。在另一个方面，控制单元包括配置成在所述第一位置和第二位置之间移动所述组件的动力单元。在各个方面中，所述动力单元可以是包括电动机在内的电气操作的单元、液压操作的设备或者其它合适的设备。液压操纵的设备可以包括配置成提供流体（例如钻井液）的流体供给线，用于在第一位置和第二位置之间移动组件。合适的流控制设备，例如阀门，可以控制流体向源的提供。在另一个方面，可以在钻头中提供控制电路，来处理由传感器提供的信号。在又一方面，传感器可以集成到钻头的刀具中，所述刀具位于钻头的柄或者锥体中。另外，来自控制电路的通信链路可以提供与远端设备，例如处理器，的数据通信。

在又一方面，提供了一种制造钻头的方法，在一种实施方式中，该方法包括：把辐射源设置在钻头中，以在钻取井筒的过程中把辐射感生到钻头周围的地层中，以及在钻头中设置辐射传感器，该辐射传感器配置成检测来自地层的辐射并提供代表从被钻地层检测到的辐射的信号。在一个方面，把源设置在钻头中还可以包括把放射性元素设置在钻头中以及把控制单元设置在钻头中，以选择性地把来自放射性元素的辐射暴露给地层。在又一方面，提供了一种在地层中钻取井筒的方法，在一种实施方式中，该方法可以包括：用钻头钻取井筒；通过钻头中的源把辐射感生到地层中；以及通过钻头中的传感器检测响应所感生的辐射的来自地层的辐射；并且提供代表所检测到的辐射的信号。该方法还可以包括停止把辐射从源感生到地层中；及检测地层中自然发生的伽玛射线并且提供代表所检测到的自然发生的伽玛射线的信号。在又一方面，该方法还可以包括处理代表自然发生的伽玛射线的信号和代表从地层检测到的响应所感生的辐射的辐射的信号，来估计地层的感兴趣的属性。感兴趣的属性可以是以下一个或多个：矿床边界的位置；被钻地层的岩性；地层的密度；及地层的中子孔隙度。该方法还可以包括至少部分地基于从处理代表所检测到的辐射的信号获得的信息来调整钻井参数。钻井参数可以包括以下一个或多个：（i）钻压；（ii）钻头的旋转速度；及（iii）钻井液向携带钻头的钻柱的供给。

以上描述针对特定的实施方式，以进行说明和解释。但是，对本领域技术人员来说，很显然，在不背离在此所公开的概念与实施方式的范围和主旨的情况下，可以对以上所述的实施方式进行许多修改和变化。所附权利要求希望解释为包括所有这样的修改和变化。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种钻头，包括：

钻头体，包括顶部和柄部；

所述钻头体中的源，配置成在钻取井筒的过程中把辐射感生到所述钻头周围的地层中；以及

所述顶部或柄部中的至少一个传感器，配置成在钻取井筒的过程中检测响应于在地层中感生的辐射的辐射。

2.如权利要求1所述的钻头，其中所述源选自包括伽玛射线源及中子源的组。

3.如权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个辐射传感器包括选自包括以下传感器的组的传感器：中子传感器和伽玛射线传感器。

4.如权利要求1所述的钻头，还包括配置成选择性地把地层暴露于来自所述源的辐射的控制单元。

5.如权利要求4所述的钻头，其中所述控制单元包括可移动组件，所述可移动组件在第一位置把来自所述源的辐射暴露给地层，而在第二位置防止地层暴露于来自所述源的辐射。

6.如权利要求4所述的钻头，其中所述控制单元包括动力单元，该动力单元配置成在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可移动组件。

7.如权利要求6所述的钻头，其中所述动力单元选自包括以下单元的组：电气操作的单元；以及液压操作的单元。

8.如权利要求7所述的钻头，还包括阀门，该阀门配置成控制流体向所述可移动组件的提供，以便在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可移动组件。

9.如权利要求1所述的钻头，还包括配置成处理由所述至少一个传感器提供的信号的控制电路。

10.如权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个传感器集成到所述钻头的刀具中。

11.如权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个传感器设置在所述钻头的柄、锥体、叶片或刀具中的一个中。

12.如权利要求1所述的钻头，还包括配置成在远端设备与所述至少一个传感器之间提供数据通信的通信链路。

13.一种提供钻头的方法，包括：

把源设置在所述钻头中，以在钻取井筒的过程中把辐射感生到所述钻头周围的地层中；

把传感器设置在钻头体的顶部或柄部中，所述传感器配置成检测响应于在地层中感生的辐射的辐射并且提供代表所检测到的辐射的信号；以及

处理所述信号，以便估计地层的属性。

14.如权利要求13所述的方法，还包括在所述钻头中提供控制单元，所述控制单元配置成选择性地把来自放射性元素的辐射暴露给地层。

15.一种在地层中钻取井筒的方法，包括：

用钻孔机在地层中钻取井筒；

从钻头中的源把辐射感生到地层中；

由钻头中的传感器检测来自地层的响应于所感生的辐射的辐射并且提供代表所检测到的辐射的信号；以及

处理所述信号，以便估计地层的属性。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

停止把辐射从所述源感生到地层中持续选定的时间段；

检测地层中自然发生的伽玛射线并且提供代表这种检测到的自然发生的伽玛射线的信号；以及

利用代表所检测到的自然发生的伽玛射线的信号来估计地层的属性。

17.如权利要求16所述的方法，还包括处理代表自然发生的伽玛射线的信号和代表从地层检测到的响应感生的辐射的辐射的信号，来估计地层的感兴趣的属性。

18.如权利要求17所述的方法，其中地层的属性选自包括以下各项的组：矿床边界条件；地层的岩石性质；地层密度；地层孔隙度；及地层Sigma指数。

19.如权利要求15所述的方法，还包括基于从信号处理获得的信息调整至少一个钻井参数。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述至少一个钻井参数选自包括以下参数的组：（i）钻压；（ii）钻头的旋转速度；及（iii）流体的供给。

Claims (20)

1.一种钻头，包括：

钻头体；

所述钻头体中的源，配置成在钻取井筒的过程中把辐射感生到所述钻头周围的地层中；以及

所述钻头体中的至少一个传感器，配置成在钻取井筒的过程中检测响应于在地层中感生的辐射的辐射。

2.如权利要求1所述的钻头，其中所述源选自包括伽玛射线源及中子源的组。

3.如权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个辐射传感器包括选自包括以下传感器的组的传感器：中子传感器和伽玛射线传感器。

4.如权利要求1所述的钻头，还包括配置成选择性地把地层暴露于来自所述源的辐射的控制单元。

5.如权利要求4所述的钻头，其中所述控制单元包括可移动组件，所述可移动组件在第一位置把来自所述源的辐射暴露给地层，而在第二位置防止地层暴露于来自所述源的辐射。

6.如权利要求4所述的钻头，其中所述控制单元包括动力单元，该动力单元配置成在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可移动组件。

7.如权利要求6所述的钻头，其中所述动力单元选自包括以下单元的组：电气操作的单元；以及液压操作的单元。

8.如权利要求7所述的钻头，还包括阀门，该阀门配置成控制流体向所述可移动组件的提供，以便在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可移动组件。

9.如权利要求1所述的钻头，还包括配置成处理由所述至少一个传感器提供的信号的控制电路。

10.如权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个传感器集成到所述钻头的刀具中。

11.如权利要求1所述的钻头，其中所述至少一个传感器设置在所述钻头的柄、锥体、叶片或刀具中的一个中。

12.如权利要求1所述的钻头，还包括配置成在远端设备与所述至少一个传感器之间提供数据通信的通信链路。

13.一种提供钻头的方法，包括：

把源设置在所述钻头中，以在钻取井筒的过程中把辐射感生到所述钻头周围的地层中；

把传感器设置在钻头体中，所述传感器配置成检测响应于在地层中感生的辐射的辐射并且提供代表所检测到的辐射的信号；以及

处理所述信号，以便估计地层的属性。

14.如权利要求13所述的方法，还包括在所述钻头中提供控制单元，所述控制单元配置成选择性地把来自放射性元素的辐射暴露给地层。

15.一种在地层中钻取井筒的方法，包括：

用钻孔机在地层中钻取井筒；

从钻头中的源把辐射感生到地层中；

由钻头中的传感器检测来自地层的响应于所感生的辐射的辐射并且提供代表所检测到的辐射的信号；以及

处理所述信号，以便估计地层的属性。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

停止把辐射从所述源感生到地层中持续选定的时间段；

检测地层中自然发生的伽玛射线并且提供代表这种检测到的自然发生的伽玛射线的信号；以及

利用代表所检测到的自然发生的伽玛射线的信号来估计地层的属性。

17.如权利要求16所述的方法，还包括处理代表自然发生的伽玛射线的信号和代表从地层检测到的响应感生的辐射的辐射的信号，来估计地层的感兴趣的属性。

18.如权利要求17所述的方法，其中地层的属性选自包括以下各项的组：矿床边界条件；地层的岩石性质；地层密度；地层孔隙度；及地层Sigma指数。

19.如权利要求15所述的方法，还包括基于从信号处理获得的信息调整至少一个钻井参数。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述至少一个钻井参数选自包括以下参数的组：（i）钻压；（ii）钻头的旋转速度；及（iii）流体的供给。

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