CN103765247A - 用于快速正演中子模型的地层表征 - Google Patents

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Abstract

一种用于模拟中子测井仪器的响应的方法包括：在计算机中定义中子迁徙长度相对于期望的辐射探测器计数率的函数。所述函数针对地层孔隙度的选定值定义。所述函数与中子慢化长度和中子扩散长度有关。所述函数经地层密度加权。在计算机中，使用定义的函数基于地层孔隙度和密度的初始估算计算期望的辐射探测器计数率。

Description

用于快速正演中子模型的地层表征
技术领域
本公开涉及地下地层的中子测量分析的系统和方法。本公开尤其涉及在地下井中所做的测量的解释的快速正演中子模型。
背景技术
在中子测井中，因其精确性，优选蒙特卡罗方法进行中子测井仪器响应的模拟。然而，由于现有计算机的运算速度有限，蒙特卡罗方法已经不适合于实时中子测井仪器分析。
用于中子测井仪器的基于线性的蒙特卡罗正演模型技术的示例在Charles C.Watson，Monte Carlo Computation of Differential SensitivityFunctions，Trans.Am.Nucl.Soc.，vol.46，page655，1984，以及Charles C.Watson，A Spatial Sensitivity Analysis Technique for Neutron and Gamma-RayMeasurements，Trans.Am.Nucl.Soc.，vol.65(Suppl.1)，pp.3-4，1992，（以下简称“Watson论文”）中被描述。通过对占主导地位的康普顿扫射的伽马射线相互作用和光电吸收线性建模，在Watson论文中所描述的技术可以用于预测康普顿散射伽马射线密度测井仪器的探测器响应。上述方法应用于密度仪器的最大优点是其运算速度非常快，因其能提供亚秒级的计算级别。该模型的基本假设是在仪器的探测器响应、地层密度变化及被检测的地层的光电特性之间假定一个线性关系。置于井眼中的仪器周围的空间被分成单元格，每个单元格分配一个灵敏度。每个单元格对整个仪器响应估计的贡献可以通过预先计算的空间灵敏度地图获得。5,334,833号美国专利公开了密度灵敏度函数技术的更多细节。前述线性技术的表现可以包括计数空间内几个百分比的相对精度，之后，其必须被换算为密度空间。例如，当应用线性模型方法于随钻测井(“LWD”)地层密度测量仪器时，例如，用VISION475（其为美国德克萨斯州舒格兰斯伦贝谢科技集团的一个商标）操作时，在覆盖每立方厘米1到3克的典型的密度空间变化时，与实验数据相比，发现模型误差在1英寸水间隔内高达每立方厘米0.1克。线性方法的性能有限也表现在使用不同的参考地层计算时密度灵敏度函数不同。
前述方法的精确性的一些改进可以通过逐案修改灵敏度函数来实现，但是这种调整并不完全通用。A.Mendoza，C.Torres-Verdin以及W.Preeg，Rapid Simulation of Borehole Nuclear Measurements With Approximate SpatialFlux-Scattering Functions，（SPWLA国际技术研讨会第48届测井座谈会，2007年6月3日-6日）公布了快速模拟中子孔隙度及伽马射线（康普顿散射）密度测井的空间通量散射函数（FSF）技术。
空间通量散射函数技术的发展（另见Mendoza,A.,C.Torres-Verdin以及W.E.Preeg，2010，Linear iterative refinement method for the rapidsimulation of borehole nuclear measurements，PartⅠ：Vertical wells：Geophysics，75，no.1,E9-E29）意味着该技术可以应用于生成快速正演中子孔隙度模型。使用AmBe化学同位素中子源的通用核测井仪模型的初步测试是有前景的。然而，经审查，用具有脉冲式中子源（其产生14兆电子伏中子）的基于空间通量散射函数的中子测井仪快速模型提供的结果模拟对入侵气体饱和地层及处理地层水盐化度变化影响的结果是不足的。
所需的是中子测井仪器响应的快速正演模型的一种改进的技术。
发明内容
本公开的一个方面是一种用于模拟中子测井仪器的响应的方法。所述方法包括：在计算机中定义中子迁徙长度相对于期望的辐射探测器计数率的函数。所述函数针对地层孔隙度的选定值定义。所述函数与中子慢化长度和中子扩散长度有关。所述函数经地层密度加权。在计算机中，使用定义的函数基于地层孔隙度和密度的初始估算计算期望的辐射探测器计数率。
本发明的其它方面和优势通过下面的说明书和权利要求书会更显而易见。
附图说明
图1示出了置于沿地下地层钻孔的孔眼中的示例核测井仪器。
图2描述了一个示例计算系统。
图3说明了含淡水地层的Lm值与探测器计数率的对数的关系的示例，而含气地层没有同样的关联。
图4说明了Lm与地层密度的组合，以表示与计数率的对数具有单一相关性的地层的描述。
图5说明了地层孔隙度为5-40p.u.的示例，其中，水盐化度在100、200、250kppm盐度之间变化。
图6示出了通过将Lm替换为新参数Lm*，盐饱和地层数据如何可与含淡水数据一致。
图7示出了含水、含气和含盐水例的计数率作为Lm*与密度的函数，称为Fp，对于所有地层特性，所述函数（Fp）与计数率具有单一的相关性。
具体实施方式
错误!引用源未被发现。示出了“中子孔隙度”测井仪器30的一个示例。该仪器30的测量器件可以置于被成形并被密封而可沿井眼的内部移动的壳体111中。该脉冲式中子测井仪器30就其形式而言可以是例如在5,699,246号美国专利中所描述的类型。
该测井仪器30可以包括化学或脉冲中子源115以及距中子源不同轴向间距的两个或更多个中子探测器116、117。中子源115（以下简称“源”），一旦被激活，会发射可控时长的高能量中子“扫射”（大约14MeV，并且其可以被各向同性地发射）。中子源的一个示例在授予给Chen等人的5,293,410号美国专利中被描述并且在此作为引用包括在本文中。
中子探测器116、117可以相对于时间探测到达探测器的中子。这样的测量可以用于提供仪器周围的地层119的氢指数（HI）测量。在一些示例中，探测器116、117可以是3He比例计数器。在其它示例中，源115可以是化学同位素源，例如位于铍“覆盖层”中的镅241。
测井仪器30可以连接于铠装电力电缆33，其可以延伸到和从井眼32撤回。井眼32中可以包括、也可以不包括金属管或套管16。电缆33从地面31部署的记录系统7传导电力以操作仪器30，并且来自探测器116、117的信号可以通过合适的电路118处理，以沿电缆33传送到记录系统7。记录系统7可以包括将参考图2说明的计算机以及用于记录沿电缆33从仪器30通信的信号的宽度和/或时间的装置。本领域技术人员会理解，图1所示的仪器也可以被设置为通过用于钻井眼32的钻柱传送，并且因此形成随钻测井（“LWD”）仪器的一部分。这样的LWD仪器中可以包括用于记录由仪器中的多个传感器和探测器探测的信号的装置，并且可以包括例如通过调节泵入钻柱的钻井液的压力传递一些或全部该信号到位于地面的记录单元7的通信子系统。图1中示出的电缆输送因此不应被理解为对本公开范围的限制。
图2描述了依据一些实施例的示例性计算系统100。该计算系统100可以是单独的计算机系统101A或者采用分布式计算机系统的布置。该计算机系统101A包括一个或多个分析模块102，其被设置为根据一些实施例执行多项任务，例如计算结果在图3至图7中所描述的任务。为了执行这些多项任务，分析模块102独立执行，或者与连接到一个或多个存储介质106的一个或多个处理器104配合。该处理器104还连接到网络接口108，以使得计算机系统101A可与一个或多个附加的计算机系统和/或计算系统、例如101B、101C和/或101D通过数据网络110通信。（注意计算机系统101B、101C和/或101D可以共享或不共享与计算机系统101A相同的构架，并且可以被置于不同的物理位置，如计算机系统101A和101B可以在海上行驶的船只上，在被置于接近钻井眼的测井单元中，同时与一个或多个计算机系统，如位于一个或多个岸上数据中心、其它船只和/或位于不同大洲的不同国家的101C和/或101D通信）。
处理器可以包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程序门阵列或其它的控制或计算装置。
存储介质106可以被实现为一个或多个非易失性计算机可读或机器可读存储介质。注意，尽管在图1的示例实施例中存储介质106被描述为在计算机系统101A内，但在一些实施例中，存储介质106也可以分布在计算机系统101A和/或附加的计算系统的多个内封壳和/或者外封壳内和/或者穿过多个内封壳和/或者外封壳。存储介质106可以包括：一个或多个不同形式的存储器，包括半导体存储装置，如动态或静态随机存取存储器（DRAM或SRAM）、可擦除和可编程的只读存储器（EPROM）、电可擦除和可编程的只读存储器（EEPROM）及快闪存储器；磁盘如固定软盘和可移动磁盘；其它磁媒介，包括磁带；光学媒介如光盘（CDs）或数字视盘（DVD）；或其它类型的存储装置。注意，上文所讨论的指令可以被提供在一个计算机可读或机器可读存储介质上，或可替换地，可以被提供在具有可能多个节点的大系统中分布的多个计算机可读或机器可读存储介质上。这样的计算机可读或机器可读的存储介质被认为是物品（或制造的物品）的部分。物品或制造的物品可以是任何制造的单个器件或多个器件。存储媒介或介质可以位于运行该机器可读的指令的机器中，或位于远程位置处，可以通过网络从该远程位置下载机器可读指令以用于执行。
应该理解，计算系统100只是计算系统的一个示例，并且计算系统100可以有比所示出的更多或更少的器件，可以结合图2的实施例中没有描述的附加的器件，并且/或者计算系统100可以有与图2中描述的器件不同的设置或配置。图2中示出的各种器件可以以硬件、软件或两者的组合执行，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。
进一步地，上面描述的方法中的步骤可以通过在信息处理装置（如通用处理器或专用芯片、如ASIC、FPGA、PLD或其它合适的装置）中运行一个或更多功能模块来执行。这些模块、这些模块的结合，和/或它们与通用硬件的结合都包括在本发明的保护范围内。
在解释在此的示例方法中，首先回顾一个中子测井仪器模型的空间通量散射函数（FSF）技术的一个示例。起始点是为特殊的中子测井仪几何特性及源配置计算一组FSF。见例如图1。该仪器可以被置于具有某一组物理性能、例如，孔隙的体积分数（“孔隙度”）、孔隙流体类型等等的地下地层（图1中的119）中。
FSF可以通过蒙特卡罗程序（被称为“MCNP”）生成，并且本质上与每个离散（在几何建模中被提前指定）空间元素的重要值对应。之后，FSF表示该重要值的三维地图，其提供一种从地层的每个空间元素中指定的值得到地层特性的平均值的方法。起初，被定义为慢化长度Ls与扩散长度Ld平方和的中子迁徙长度Lm
Figure BDA0000460740240000051
被用来表示完整的地层描述。因此，快速正演模型的中间输出可以是地层中每个体积元的所有Lm值的重要值加权平均值。然而，快速正演中子模型的所需的量是期望的探测器计数率。对于每个探测器，对于特定的井眼环境，单独的一组蒙塔卡罗模拟程序的运行可以被执行用于把计数率变化定义为均匀地层中地层Lm值函数。只要Lm本身与由实验装置中的仪器测量的或用蒙特卡罗模拟计算的计数率变化充分关联，前述程序就会正确运行。
图3示出了含淡水多孔地层的Lm值如何与远探测器计数率的对数相关联的一个示例的图形。含淡水地层孔隙度值用图3中的200到210的标记表示，其中这些符号被赋予最佳拟合曲线。从图3中展示的结果可以得出探测器计数率可以很容易地从含淡水多孔地层中的地层Lm值预测的结论。
当考虑含气多孔地层时，使用Lm作为地层特性的单独评估值的限制立刻变得十分明显。在图3中，含气多孔地层探测器计数率不落在含淡水最佳拟合曲线上。用于各种含气孔隙度值的模拟探测器计数率在图3中以212-220的标记示出。随着孔隙度值增加（Lm值减少），模拟探测器计数率可以被观察到大大低于相应的含淡水探测器计数率。因此，与FSF表面的形状无关（因它们被归一化到统一），结合Lm使用FSF可能不会充分预测含气地层中的探测器计数率，因为含气例的Lm平均值通常都太大。
图3中示出的含淡水和含气数据点可以通过引入与多孔地层的密度对应的项被协调。用Lm和地层密度的函数的简单的线性组合来表示地层描述（用于FSF），能够使含淡水地层与含气地层的模拟探测器计数率比较好的吻合，如图4的图形所示。
含盐水孔隙度可以被类似处理。图5示出了对于5-40p.u.的地层孔隙度值、淡水和100、200、250kppm水盐化度值，Lm相对于预测的探测器计数率的图表。含淡水例再次用200到210的标记表示，并且具有不同盐度的模拟计数率在从208C到208A的200C(250kppm)、200A（100kppm）中用标记表示。在Lm值随地层中子俘获截面变化而变化时，该特殊的探测器配置的模拟示出了极小的计数率变化。俘获截面变化可以通过使用另一个Lm值（Lm*）的定义说明，如Ellis,D.V.,Flaum,C.,Galford,J.E.,以及Scott,H.D.,“The Effect of Formation Absorption on the Thermal NeutronPorosity Measurement，”论文16814-MS，第62届SPE年度技术研讨会和展示会，达拉斯，德克萨斯州（1987）。
图6示出了在地层孔隙空间中使用盐饱和水的模拟计数率与含淡水孔隙度模拟计数率如何可通过在Lm*
Figure BDA0000460740240000071
的定义中简单地改变慢化长度Ls及扩散长度Ld的混合而一致。对于Lm，扩散长度Ld的加权有一个1的α因子；使用Lm*的模拟计数率的最佳拟合曲线已经被示出为对于Ld贡献具有～0.5的α因子。
一个建议的解决办法是制作一个对于所有条件来说与计数率关联的转换的地层参数。在一个示例中，这可以通过定义一个新的函数Fp来执行，所述函数用地层密度ρb对Lm*的合适的函数加权。在图7中，不同孔隙度值的含水、含气及含盐饱和水的地层的模拟计数率的图形作为Fp的函数被示出。在地层中结合Fp值使用FSF程序可能会导致更精确的计数率预测。
还应注意，尽管Fp在本示例中作为表征地层的一个参数，但应理解其它的Fp函数形式也可能适合于不同源探测器间距和屏蔽布置下的探测器。
在一些示例中，模拟中子探测器响应可以作为反演过程的一部分使用，以确定氢指数值和/或地层的其它与中子相关的特性（图1中的119）。反演可以包括使用如图1中所示的仪器的地层测量。该地层的初始模型可以产生，例如包括各种厚度、孔隙度值、地层水盐化度的地质层及水、气和/或油的体积分数生成。初始模型的模拟响应可以使用示例技术，如以上参考图7所解释的。使用示例技术模拟的探测器计数率然后可以与如图1所示的对地层的实际测量相比较。初始模型的任何一个或更多参数都可以被调整，并且探测器响应的模拟可以重复。前述可重复，直到模拟探测器响应与测量的响应之间的差异达到最小或低于一个选定的阈值。在这一点上，调整的模型可以被指定为最终模型，也就是说，能够最精密地表示地下地层的实际参数的模型。
尽管本发明已经通过有限数量的实施例被描述，但从本公开获益的本领域技术人员会理解可以设计出不偏离在此公开的本发明保护范围的其它的实施例。因此，本发明的保护范围只应被所附的权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于模拟中子测井仪器的响应的方法，包括：
在计算机中定义中子迁徙长度相对于期望的辐射探测器计数率的函数，所述函数针对地层孔隙度的选定值定义，所述函数与中子慢化长度和中子扩散长度有关，所述函数经地层密度加权；以及
在计算机中，使用定义的函数基于地层孔隙度和密度的初始估算计算期望的辐射探测器计数率。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将中子测井仪器插入到被井眼穿入的地下地层中，并且测量所述仪器上的至少一个探测器的计数率；
在计算机中比较所述期望的探测器计数率与所述测量的计数率；
在计算机中调整所述函数的至少一个参数；以及
在计算机中重复计算所述期望的计数率并与所述测量的计数率比较，直至两者之间的差值达到最小或低于选定的阈值。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射探测器包括中子探测器。
4.如权利要求1所述的方法，包括：在计算机中基于地层空间通量散射计算所述期望的探测器计数率相对于地层特性变化的灵敏度。
5.一种非易失性计算机可读介质，所述介质存储有逻辑语言，所述逻辑语言可用于使可编程计算机执行以下指令，包括：
定义中子迁徙长度相对于期望的辐射探测器计数率的函数，所述函数针对地层孔隙度的选定值定义，所述函数与中子慢化长度和中子扩散长度有关，所述函数经地层密度加权；以及
使用定义的函数基于地层孔隙度和密度的初始估算计算期望的辐射探测器计数率。
6.如权利要求5所述的非易失性计算机可读介质，其中，所述辐射探测器包括中子探测器。
7.如权利要求5所述的非易失性计算机可读介质，包括：基于地层空间通量散射计算所述期望的探测器计数率相对于地层特性变化的灵敏度。
8.一种用于测井的方法，包括：
将中子测井仪器插入到被井眼穿入的地下地层中，并且测量所述仪器上的至少一个探测器的计数率；
在计算机中定义中子迁徙长度相对于期望的辐射探测器计数率的函数，所述函数针对地层孔隙度的选定值定义，所述函数与中子慢化长度和中子扩散长度有关，所述函数经地层密度加权；以及
在计算机中，使用定义的函数基于地层孔隙度和密度的初始估算计算期望的辐射探测器计数率；
在计算机中比较所述期望的探测器计数率与所述测量的计数率；
在计算机中调整所述函数的至少一个参数；以及
在计算机中重复计算所述期望的计数率并与所述测量的计数率比较，直至两者之间的差值达到最小或低于选定的阈值。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述辐射探测器包括中子探测器。
10.如权利要求8所述的方法，包括：在计算机中基于地层空间通量散射计算所述期望的探测器计数率相对于地层特性变化的灵敏度。
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