CN105121781A - 使用中子源的定向测量 - Google Patents

Abstract

一种主要用于钻孔中的测量工具，具有位于外壳内的中子源和位于外壳内的基于中子的探测器。中子源和基于中子的探测器中至少之一离开旋转的纵轴偏移。轴向偏移的中子源或基于中子的探测器允许通过旋转钻孔内的工具对钻孔周围的岩层进行定向测量。

Description

使用中子源的定向测量

技术领域

当前的描述涉及钻孔(borehole)中的定向测量，并且尤其涉及基于从中子源生成的信息在钻孔中的定向测量。

背景技术

钻孔测量装置可以用于确定围绕钻孔的岩层特性并且通常用在为了从围绕钻孔的岩层提取诸如碳氢化合物的自然资源而钻探的井眼中。钻孔测量装置可以使用不同类型的测量方法，例如，钻孔测量装置可以使用伽马测量方法、热中子测量方法、电阻率测量或其他类型的测量方法。

图1示出钻孔测量装置在确定已有的垂直钻孔的岩层特性中的使用。如所示出的，钻孔102钻透多个岩层104a、104b、104c、104d、104e。测量装置106可以下放到钻孔以确定一个或多个特性。测量装置106可以包括例如中子源108以及一个或多个中子探测器110a、110b，中子探测器诸如伽马探测器、热中子探测器或超热中子探测器。测量特性可以与钻孔内的测量的高度相关联。可以在钻孔被钻探后或正在被钻探时进行垂直钻孔中的测量。

钻孔还可以包括被水平钻探的部分。针对水平钻孔，钻探的方向可以被控制以“引导”钻孔。可以使用地理导航控制钻探的方向。地理导航可以利用岩石切削分析和/或电阻率和/或自然伽马射线测量来确定周围岩层的岩层特性并且如此确定合适的或期望的钻探方向。岩石切削分析一般涉及在钻探期间对岩石进行分析的井场地质师。然后，钻探方向则基于该分析的结果。当利用井下测量时，诸如电阻率和自然伽马射线，测量分析可以用于确定井路径或井结构。

在地理导航中，期望在钻柱的前面或者尽可能地靠近钻柱的前面，并且尽可能远地在钻头之前测量岩层特性。为了提供方向信息，需要能够在钻柱的径向方向上提供测量。通常，定向测量由于测量的全方位性质而不涉及核测量。伽马探测器可以通过使用在一个位置具有窗口的屏蔽材料来提供径向测量。尽管有窗口的伽马探测器可以提供径向测量，但期望使用诸如热或超热测量的中子测量，因为这些中子能够进一步穿透进入岩层中。然而，屏蔽中子所需的屏蔽层的厚度较大并且因此对于在井下应用中使用是不实际的。

期望在径向方向上进行中子测量。

发明内容

根据本申请公开的实施例，提供用于在定向钻探中使用的设备，包括：外壳，其尺寸被设计为容纳在钻孔内并具有旋转的纵轴；位于外壳内的中子源；以及位于外壳内的基于中子的探测器，中子源和基于中子的探测器中至少之一离开旋转的纵轴偏移。

在设备的另一实施例中，中子源沿着旋转的纵轴定位，并且基于中子的探测器离开旋转的纵轴偏移。

在设备的另一实施例中，基于中子的探测器沿着旋转的纵轴定位，中子源离开旋转的纵轴偏移。

在设备的另一实施例中，中子源离开旋转的纵轴偏移，并且基于中子的探测器离开旋转的纵轴偏移。

在设备的另一实施例中，基于中子的探测器是超热中子探测器、热中子探测器、以及伽马探测器中之一。

在设备的另一实施例中，还包括位于外壳内的第二基于中子的探测器。

在设备的另一实施例中，中子探测器是热中子探测器，以及第二中子探测器是伽马探测器。

在设备的另一实施例中，还包括：短热中子探测器，位于在纵向方向上与中子源相距第一距离处；长热中子探测器，位于在纵向方向上与中子源相距比第一距离大的第二距离处；短伽马探测器，位于在纵向方向上与中子源相距第三距离处；以及长伽马探测器，位于在纵向方向上与中子源相距比第三距离大的另一距离处。

在设备的另一实施例中，中子源和中子探测器中至少之一能够相对于钻孔围绕旋转的纵轴旋转。

在设备的另一实施例中，还包括方位测量装置，其能够确定基于中子的探测器相对于中子源的旋转位置。

在设备的另一实施例中，还包括将基于中子的探测器的测量值传送至位于钻孔外部的计算装置的通信接口。

在设备的另一实施例中，其中，通信接口还传送基于中子的探测器相对于中子源的旋转位置。

在设备的另一实施例中，通信接口提供与位于钻孔外部的计算装置的实时的或接近实时的通信。

根据本申请公开的另一实施例，还提供一种确定钻孔周围的岩层特性的径向方向信息的方法。该方法包括：接收来自包括中子源和基于中子的探测器的井下测量装置的测量信息，中子源和基于中子的探测器中至少之一离开测量装置的旋转的纵轴偏移，测量信息包括利用基于中子的探测器的测量值以及在进行相关测量时中子源和基于中子的探测器相对于钻孔的相对方位的指示；以及确定围绕钻孔的径向方向的岩层特性，岩层特性基于所接收到的基于中子的探测器的测量的指示来确定，径向方向根据相对方位来确定。

在该方法的另一实施例中，井下测量装置包括与中子源不对称地排列的多个中子探测器。

在该方法的另一实施例中，多个中子探测器包括：至少一个热中子探测器；至少一个伽马探测器。

在该方法的另一实施例中，多个中子探测器包括：短热中子探测器；长热中子探测器；短伽马探测器；以及长伽马探测器。

附图说明

下面将参考附图描述实施例，其中：

图1是用于在垂直钻孔中提供井下测量的测井工具的图；

图2是用于使用中子源的定向测量的钻探系统的图；

图3示出中子源偏移与差分中子强度的图；

图4是利用中子源在测试定向测量中使用的测试设备的图；

图5是图3的测试设备中的中子场的图；

图6A-D是图3的测试设备中中子场随着中子源的变化位置的图；

图7是在图3的测试设备中进行的测量的图；

图8是在图3的测试设备中进行的测量的图；

图9是能够使用中子源进行定向测量的测井工具的示例的图；

图10示出能够使用中子源进行定向测量的测井工具的另一示例；

图11A-C示出示例性的中子源和探测器排列；

图12示出定向钻探系统的部件；以及

图13示出使用中子源的定向导航的方法。

具体实施方式

如在下文进一步描述的，可以在不使用屏蔽的情况下使用中子源进行定向测量。基于中子的定向测量可以在钻孔钻探的地理导航中使用。即，定向测量可以用于确定或便于确定钻孔周围的岩层特性并确定钻孔的钻探路径。中子源和探测器可以提供关于岩层特性的有用信息。如这里进一步描述的，可以确定这些测量的方向并如此确定相关岩层特性的位置或建议位置。因此，可以使用定向测量来朝向具有期望岩层特性的位置“引导”钻孔的钻探路径，从而允许对于诸如石油或天然气的碳氢化合物产品的更优化的钻探结构。

图2是用于使用中子源进行定向测量的钻探系统的图。如所示出的，在地壳中钻探钻孔202，地壳可以包括多个不同的岩层204a、204b、204c(总地称为岩层204)。如可以理解的，不同的岩层具有不同的特性，诸如孔隙率、密度、粘土水平、含油饱和度、含水饱和度以及其他特性。期望钻探路径可以基于这些期望特性来确定。例如，如果钻孔被钻探以用于油井，则期望将钻孔导向具有高含油饱和度或者显示高含油饱和度的特性的岩层。钻孔202由钻探系统206形成。

钻探系统206包括用于钻探钻孔202以及测量和记录钻孔202和周围岩层204的数据的多个部件。可以理解，钻探系统206代表典型的钻探系统，并且可以有多个特定钻探系统，它们对于特定应用具有特定适用性，这对于本领域技术人员是已知的。钻探系统206在钻孔中包括钻柱。钻柱在其头部具有钻头208和泥浆马达210。在压力下将钻探泥浆从地面供给至泥浆马达210。钻探泥浆使得泥浆马达210旋转钻头208。注意，当使用所示出的泥浆马达时，作为连接在泥浆马达210和地面之间的钻柱的部件的上柱部件不随着钻头208旋转。

一个或多个管212可以包括在钻柱中。管212被示出为在其内部214内具有多个传感器装置216、218、226。可以理解，许多不同的传感器装置可以在各种不同位置包括进钻柱中。为了方便，传感器装置216、218、226被示出为容纳在同一管212内。不同的传感器装置可以提供不同功能。例如，可以理解，根据需要或视情况，传感器装置216可以提供遥测、倾角测量、磁场强度测量、压力测量、振动测量或其他类型的测量。

传感器装置218也提供测量，然而，如下文进一步描述的，其提供基于中子的测量。这些测量可以提供钻孔周围的岩层特性的指示。有利地，这些测量是定向的，因而可以在特定径向方向上确定岩层的特性。例如，可以确定钻孔“之上”和钻孔“之下”的钻孔的特性。注意，“之上”和“之下”相对于图2中的钻孔。可以根据测量确定的岩层特性取决于包括进装置中的传感器，然而可以包括诸如密度、孔隙率、饱和度、钻孔井径的测量。传感器装置218被示出为具有中子源222以及两个基于中子的探测器220、224。例如，探测器之一220可以是伽马探测器，以及第二探测器224可以是热中子探测器或超热中子探测器。如下文进一步描述的，中子源222、探测器220、224或两者关于传感器装置218的纵轴偏心设置。偏心设置允许在传感器装置218相对于钻孔202旋转时进行定向测量。

传感器装置216、218可以在内部将测量信息存储在存储器中以用于稍后在地面处的获取和处理。另外或可替换地，可以使用各种通信技术将测量信息或测量信息的一部分实时地或接近实时地传输至地面。例如，附加装置226可以从多个传感器装置216、218接收测量信息并提供测量信息的存储和/或将测量信息传送至地面。例如，附加装置226可以提供线路通信接口或诸如泥浆脉冲通信的其他类型的井下通信接口。尽管通过传感器装置216、218的测量的存储和/或通信被描述为由附加装置226提供，但可以设想存储和/或通信接口可以在每个单独装置中提供。

由基于中子的装置218提供的定向测量可以用于确定围绕钻孔在各种径向方向的岩层的特性。这些定向测量可以用于确定钻孔的钻探路径。钻柱还可以包括定向部件228，其可以控制钻头208的方向，从而控制钻探路径。用于引导钻头的许多技术是已知的，并且不在此进一步论述。包括大直径管230的节段的钻环连接至其他部件以形成井下组件。井下组件从地面被多个较小直径的钻管支撑。

广义上，基于中子的定向测量装置218在钻孔202内旋转并对围绕钻孔的岩层进行定向测量。该测量被用于确定岩层的特性，该特性继而可以用于确定期望的钻探路径。钻头208的方向之后可以被调节以沿着期望的钻探路径钻探钻孔202。

图3示出中子源偏移与差分中子强度的图。中子源最初距离中子探测器9cm，并且初始强度是16000cps。随着中子源/中子探测器间隔减小至8cm，所探测的强度下降约4000cps。随着中子源/中子探测器增加至10cm，所探测的强度增大约3000cps。如可以看出的，通过将中子源和中子探测器之间的距离变化改变如2cm那样小，强度改变约7000cps。

甚至中子源和基于中子的探测器的方向的小的改变可能导致测量的大的改变。发明人确定，中子源和探测器相对于岩层的方向的小的改变在不需要屏蔽的情况下可以使用中子源提供定向测量。

图4是在利用中子源测试定向测量中使用的测试设备的图。测试设备400包括由框架404支撑的大的储存罐402，其直径大约为6英尺，长7英尺。在罐402的顶部处的开口406允许罐被填充和清空。管408通过罐402的纵向中心。管408具有开口，其允许基于中子的测量装置410插入至填充的罐402中以进行测量。在测试基于中子的测量装置410时，罐402可以被填充有诸如淡水、盐水和/或油的各种液体。为了确定进行定向测量的能力，罐被填充有淡水和32API的油。

图5是图4的测试设备中的中子场的图。在图5中，基于中子的测量装置不提供定向测量。罐302填充有淡水502和32API的油504。基于中子的测量装置放置在管308内。测量装置包括中子源508和中子探测器506，它们沿着测量装置的旋转的纵轴轴向对齐。测量装置提供中子场514或影响场的测量。中子场514是由虚线圈512表示的用于填充有淡水的罐的期望的中子场和由虚线圈510表示的用于填充有油的罐的期望的中子场的组合。如果罐302全部填充有32API的油，则填充油的中子场线510表示理论场大小。如果罐302全部填充有水，则填充水的中子场线512表示理论场大小。组合的中子场线514表示具有混合的油水液体的理论场形状和大小。注意，所示出的场形状和大小是理论描述，实际的场可能看起来与所描述的不同。随着测量装置旋转，中子源508和中子探测器506的定位保持不变，这样，不管测量装置的方向，将产生相同的测量，因此这样不能进行定向测量。

图6A-D是图4的测试设备中中子场随着中子源的变化位置的图。图6A-D的测试设备的配置基本上与上述类似，因此，类似标记的特征将不再描述。与不管测量装置的定向而位置保持不变的中子源508和中子探测器506不同，中子探测器602a,602b,602c,602d和中子源604a,604b,604c,604d的位置根据测量装置的方向而变化。图6A示出具有假定的0度旋转的中子源604a和探测器602a的位置。图6B示出相对于图6A顺时针旋转90度的、中子源604b和探测器602b的位置。图6C示出相对于图6A顺时针旋转180度的、中子源604c和探测器602c的位置。图6D示出相对于图6A顺时针旋转270度的、中子源604d和探测器602d的位置。如示出的，随着中子源和探测器的方向旋转，所产生的中子场及其测量也变化。如果测量与测量装置的旋转位置相关联，则可以确定针对岩层特性的定向测量。

图7是在图4的测试设备中进行的测量的图。利用具有中子源和四个间隔的中子探测器的中子测量装置记录测量。探测器包括短中子-中子探测器(SNN)、短中子-伽马探测器(SNG)、长中子-中子探测器(LNN)、长中子-伽马探测器(LNG)，尽管仅示出了SNN和SNG值。注意，针对井下地球物理装置的命名约定基于源-探测物理过程。例如，中子热中子表示中子源和热中子探测。短探测器比长探测器离中子源更近。此外，探测器中的每一个沿着测量装置的旋转的纵轴排列，并且中子源对于测量装置的旋转的纵轴偏心排列。罐填充有水和油以使得油-水界面离罐的中心15cm。零度相对方位为如图6A所示的源直接在工具的顶部，并且测量装置如图6A-D所示以顺时针方式旋转。两个探测器的多元(Poly)曲线是最佳拟合的二阶方程结果，其将示出对于SNN和SNG的最大转折点。测量装置以40度增量旋转，并且在将测量装置旋转至下一位置之前将测量记录大约120秒。

如可以从图7中看出，最大转折点在0度相对方位位置发生，与图6A相对应。这与理论模型一致并确认为可以进行定向中子测量。由于随着测量装置的旋转测量也变化，因而可以使用测量信息与关联方位信息来确定钻孔的径向方向上的岩层特性。该信息之后可以用于确定期望钻探路径。

作为所设计的示例，如果SNN测量被认为指示岩层中油的含量，以使得较高的SNN测量值指示较大的油量，图7的测量可以用于“向上”(即在0度方位上)引导钻探路径。尽管SNN测量不直接提供油含量的指示，但所述的同一概念应用来基于与测量装置的旋转位置相关联的测量来控制钻探路径。即，期望岩层特性可以针对不同方位从例如SNN、SNG、LNN和LNG的不同测量确定，然后基于更期望的岩层特性的位置来控制钻探路径。

图8是在图4的测试设备中进行的测量的图。测量装置的配置与关于图7所述的相同。针对图8的测试，罐被填充以使得油-水界面距离罐的中心20.5cm。再一次，其结果示出测量值随着源和探测器的旋转而变化。具体地，SNN测量值在源面向油-水界面(即处于0度)时最高，在与界面180度时最低。类似地，SNG测量值在源面向油-水界面(即处于0度)时最低，在与界面180度时最低。

根据以上描述，清楚的是在没有使用屏蔽材料的情况下可以进行基于中子的定向测量。作为另一益处，由于不使用屏蔽材料，与存在屏蔽材料的传感器相比，计数率将更高。这在伽马和中子测量中可以是有益的，其中误差随着增大的伽马或中子计数而减小。实际上，误差与伽马或中子计数的数量的平方根成正比。

图9是能够使用中子源进行定向测量的设备的图。设备900可以包括至钻柱中以在钻探的同时提供测量。可替换地，设备900可以用于在已经形成的钻孔中进行测量。该设备包括外壳902或套管。设备900的外壳902是细长的并具有旋转的纵轴。内部壳904可以位于外壳902内。内部壳904在外壳902内可旋转。可替换地，外壳902可以由钻环或钻管的节段提供，并且内部壳904可以在钻环或钻管内可旋转。旋转马达906提供内部壳904相对于外壳902(或者更特别地，钻孔)的旋转运动。设备900可以包括用于确定外壳902在钻孔内的位置的传感器(未示出)以及用于确定内部壳904相对于外壳902的旋转位置的传感器。由于外壳902在钻孔内的位置是已知的，并且内部壳904相对于外壳的旋转位置也是已知的，因而可以确定内部壳904相对于钻孔的位置。

设备还包括中子源908以及一个或多个基于中子的探测器910、912、914、916，诸如伽马探测器、热中子探测器和/或超热中子探测器。如所示出的，中子源908和基于中子的探测器910、912、914、916离开设备的旋转纵轴偏心设置。尽管中子源908和基于中子的探测器910、912、914、916被示出为偏心地定位，但可以设想将探测器910、912、914、916或中子源可以与旋转的纵轴对准排列。为了提供基于中子的定向测量，中子源908和中子探测器910、912、914、916沿着旋转的纵轴不对称地布置，以使得源908和/或探测器910、912、914、916相对于钻孔的方向随着设备相对于钻孔的旋转而变化。

图10示出能够使用中子源进行定向测量的另一测井工具。测井工具1000可以容纳在钻管或套管内。测井工具1000可以随着钻管旋转，钻管相应地由钻机旋转。可替换地，电机可以用于在电力可以被从地面供给至测井工具的情况下旋转测井工具。可以理解，可以使用用于旋转测井工具的其他技术。

测井工具1000可以包括圆筒形外壳1002，用于容纳工具的各种探测器和部件。尽管具体尺寸可以变化，但测井工具1000被示出为具有179英寸的长度。主圆筒形外壳可以具有大约1.7英寸的外径。如所示出的，测井工具1000包括沿着工具的长度定位的各种传感器和探测器。还可以测量流体电阻率的上部井孔(up-hole)温度传感器1004可以距离工具的上部井孔端部6.25英寸。高伽马射线探测器1006和伽马射线探测器1008可以分别距离上部井孔端部17.5英寸和38.1英寸。套管接箍定位器1010可以定位在距离上部井孔端部71.5英寸处。长和短中子伽马探测器1012、1014可以分别定位为距离上部井孔端部101英寸和110英寸。诸如镅铍源的中子源1016可以定位在距离上部井孔端部121.7英寸处。如上所述，源和探测器相互离轴定位以提供定向测量。如所示出的，源1016可以由臂1018保持在主圆筒形主体1002外部。源可以是弹簧负载的臂机构的一部分，该臂机构将源相对于钻管的内表面定位以提供源和探测器之间的偏移。短和长中子中子探测器1020、1022可以分别定位在距离上部井孔端部136.2英寸和144.4英寸处。底部井孔温度和流体电阻率传感器1024可以定位在距离测井工具的上部井孔端部172.8英寸处。应该理解，图10所示的测井工具意于提供部件的一种示意性配置。预期各种部件可以被省略，它们在工具内的位置可以改变，包括距离上部井孔端部的长度，以及包括其他部件。测井工具可以在中子源和探测器彼此离轴布置时提供定向测量。

图11A-C示出示例性的中子源和探测器排列。图11A-C示出中子源和基于中子的探测器相对于设备的旋转的纵轴的各种不对称配置。如图11A所示，中子源1104a可以与设备的纵向中心、或者更特别地与设备的外壳1102对准排列。中子探测器1106a中的一个或多个可以离开设备的旋转的纵轴偏心布置。可替换地，如图11b所示，中子源1104b可以离开设备的旋转的纵轴、或更特别地设备的外壳1102偏心布置，并且中子探测器1106b中的一个或多个可以与设备的旋转的纵轴对准排列。可替换地，如图11c所示，中子源1104c可以离开设备的旋转的纵轴、或更特别地设备的外壳1102偏心布置，并且中子探测器1106b中的一个或多个可以离开设备的旋转的纵轴偏心布置。

图12示出定向钻探系统的部件。定向钻探系统1200包括定位在地面上的部件以及井下部件。井下部件可以被提供作为井下组件1202的一部分。井下组件1202包括发射中子的中子源1203。各种中子源都是可以的，诸如包括镅铍(Am-Be)或钚铍(Pu-Be)的化学源。中子源的大小和形状可以根据具体应用需求而变化；然而，作为示例，源的直径可以为大约3/4”并且长度为大约3”。普通的源放射性强度为3、5、15和20居里。井下组件1202包括多个基于中子的探测器1204、1206、1208、1210。基于中子的探测器可以包括长中子-伽马(LNG)探测器1204、短中子-伽马(SNG)探测器1206、短中子-中子(SNN)探测器1208和长中子-中子(LNN)探测器1208。将探测器设计为“短”或“长”与在井下组件1202的纵向上探测器与源的距离有关。长探测器LNG和LNN比短探测器SNG和SNN更远离源放置。SNG、SNN、LNG和LNN探测器相对于中子源的具体位置可以改变。中子源1203和基于中子的探测器1204、1206、1208、1210的径向定位关于井下组件1202的旋转的纵轴是不对称的。由不同的基于中子的探测器进行的测量可以单独使用或者结合使用以提供在井下组件1202的关联旋转位置处的岩层特性以及钻孔特性的指示。该特性可以包括例如密度、孔隙率、饱和度、钻孔井径等。尽管描述为具有具体的基于中子的探测器1204、1206、1208、1210，但可以预期可以使用源和探测器的类似的不对称的布置来进行使用不同探测器的基于中子的方向测量。例如，能够进行方向测量的井下组件可以仅包括一种类型的探测器，诸如超热中子探测器、热中子探测器或伽马射线探测器。可替换地，可以使用多种不同的探测器，诸如超热中子和热中子、或超热中子和伽马射线、或超热中子热中子和伽马射线。此外，所述井下组件1202包括不同类型的短和长探测器；然而，预期每个探测器的纵向布置可以变化。

除了中子源1203和基于中子的探测器1204、1206、1208、1210以外，井下设备1202还包括方位定向部件1212，用于控制中子源1203和探测器1204、1206、1208、1210的定向。定向部件1212可以包括方位传感器1214，其提供中子源和探测器的旋转位置的指示。方位控制器1216允许中子源和探测器的位置相对于钻孔旋转。

井下组件1202还可以包括微处理器1218和电源1220。微处理器1218接收来自探测器1204、1206、1208、1210以及方位传感器1214的信号。微处理器1218可以处理来自各种传感器的信号。该处理可以包括将旋转测量与来自各种探测器的测量相关联。微处理器1218还可以控制方位控制器1216的操作以周期性地旋转钻孔内的源和探测器。可以使用通信接口1222将测量值以及当进行测量时源和探测器所在的相关旋转位置从井下组件1202传送至地面。通信接口1222可以提供地面和井下组件1202之间的双向通信。该双向通信可以用于与钻头方向控制器1224进行通信，钻头方向控制器1224用于控制钻头的方向以及钻探路径。通信接口1222可以在地面处与相应的通信接口1228通信。通信接口1222、1228可以使用一种或多种通信类型，包括例如泥浆脉冲通信。

控制系统1226从地面提供钻孔的钻探控制。控制系统1226可以基于通过通信接口1228从井下组件接收到的定向测量值来提供关于岩层特性的信息。控制系统1226包括计算装置(示出为计算机1230)；然而，预期该计算装置可以由连接在一起的一个或多个计算系统提供。控制系统1226包括用于显示岩层特性信息的部件。显示部件被示出为显示器或监视器1232；然而，其他显示部件也是可以的，诸如打印机、计量器、发光二极管(LED)。

计算装置1230包括中央处理单元1232，其可以是一个或多个相连的处理器。存储器单元1234和非易失性存储单元1236提供信息的存储。存储器单元1234可以存储可以由处理器执行的指令1238。输入和输出(I/O)接口1240提供用于计算装置1230和诸如通信接口1228的外部装置之间的通信的接口。指令1238包括用于提供基于中子的定向测量功能1242和钻头控制功能1244的指令。

钻头控制功能1244提供用于根据需要控制钻头的方向以控制钻探路径的功能。基于中子的定向测量功能1242确定钻孔周围岩层特性。所确定的岩层特性之后可以用于确定期望的钻探路径方向。

可以被确定的岩层特性将根据在测量装置中存在哪些基于中子的探测器而变化。如果测量装置包括SNN、SNG、LNN和LNG探测器，则测量可以以多种方式组合以提供各种特性。使用来自SNN、SNG、LNN和LNG探测器的测量值确定特性在共同的未决专利申请(高林律师事务所(Gowlings)编号：08922995US和08922994US；美国序列号)中描述，其全部内容通过引用包含于此。

图13示出使用中子源的定向导航的方法。该方法可以由钻头控制功能1244和基于中子的定向测量功能1242的组合提供。该方法1300开始于接收来自井下测量装置的测量信息(1302)。所接收到的测量信息包括基于中子的探测器的测量以及测量装置的基于中子的探测器的相对方位的指示。一旦接收到测量信息，则确定在围绕钻孔的径向方向的岩层特性(1304)。所确定的岩层特性的径向方向基于与测量相关联的基于中子的探测器的方位。

方法1300可以显示所确定的岩层特性和径向方向信息(1306)。该岩层特性信息可以在其被确定时显示，或者岩层特性可以在多个方位处确定并一起显示。该方法可以旋转钻孔内的测量装置(1308)以在不同的相对方位进行测量。新的测量值和相关联的新的相对方位可以被接收(1302)并用于确定与方位相关联的岩层特性。

所显示的岩层特性的径向方向信息可以用于确定期望的钻探路径方向(1310)。确定钻探路径方向可以自动进行以朝向被认为最有利的岩层特性引导钻探路径或手动地允许操作者指定期望的钻探路径。一旦确定了期望的钻探路径，则钻头方向可以被改变(1312)以使得钻孔遵循所确定的钻探路径。

以上描述了能够基于从中子源生成的信息在钻孔中进行定向测量的工具。该定向测量可以用于地理引导井的钻探。定向测量还可以在已有的井孔中使用以检测流体和岩层异常或岩层特性。此外，定向测量可以提供确定断裂传播的能力。尽管特别地关于在钻孔内进行的定向测量进行了描述，但预期可以使用相同的技术来进行钻孔外部的测量。该测量可以提供从地面或在矿井中检测地下物理物品和特征的能力。该测量工具通过示例的方式描述。可以理解，一个示例的部件可以合并至另一示例中。此外，此处未描述的变化和修改对于考虑到本描述的教导的本领域普通技术人员来说是明显的。

Claims (17)

1.一种用于在定向钻探中使用的设备，包括：

外壳，其尺寸被设计为容纳在钻孔内并具有旋转的纵轴；

位于所述外壳内的中子源；以及

位于所述外壳内的基于中子的探测器，所述中子源和所述基于中子的探测器中至少之一离开旋转的纵轴偏移。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中子源沿着所述旋转的纵轴定位，并且所述基于中子的探测器离开所述旋转的纵轴偏移。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基于中子的探测器沿着所述旋转的纵轴定位，并且所述中子源离开所述旋转的纵轴偏移。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中子源离开所述旋转的纵轴偏移，并且所述基于中子的探测器离开所述旋转的纵轴偏移。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基于中子的探测器是以下中之一：

超热中子探测器；

热中子探测器；以及

伽马探测器。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括位于所述外壳内的第二基于中子的探测器。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述中子探测器是热中子探测器，以及所述第二中子探测器是伽马探测器。

8.根据权利要求1所述的设备，包括：

短热中子探测器，位于在纵向方向上与所述中子源相距第一距离处；

长热中子探测器，位于在所述纵向方向上与所述中子源相距比所述第一距离大的第二距离处；

短伽马探测器，位于在所述纵向方向上与所述中子源相距第三距离处；以及

长伽马探测器，位于在所述纵向方向上与所述中子源相距比所述第三距离大的另一距离处。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中子源和所述中子探测器中至少之一能够相对于所述钻孔围绕所述旋转的纵轴旋转。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括方位测量装置，其能够确定所述基于中子的探测器相对于所述中子源的旋转位置。

11.根据权利要求1所述的设备，还包括将所述基于中子的探测器的测量值传送至位于所述钻孔外部的计算装置的通信接口。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述通信接口还传送所述基于中子的探测器相对于所述中子源的旋转位置。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述通信接口提供与位于所述钻孔外部的计算装置的实时的或接近实时的通信。

14.一种确定钻孔周围的岩层特性的径向方向信息的方法，该方法包括：

接收来自包括中子源和基于中子的探测器的井下测量装置的测量信息，所述中子源和所述基于中子的探测器中至少之一离开所述测量装置的旋转的纵轴偏移，所述测量信息包括利用所述基于中子的探测器的测量值以及在进行相关测量时所述中子源和所述基于中子的探测器相对于所述钻孔的相对方位的指示；以及

确定围绕所述钻孔的径向方向的岩层特性，所述岩层特性基于所接收到的所述基于中子的探测器的测量的指示来确定，所述径向方向根据所述相对方位来确定。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述井下测量装置包括与所述中子源不对称地排列的多个中子探测器。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个中子探测器包括：

至少一个热中子探测器；

至少一个伽马探测器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个中子探测器包括：

短热中子探测器；

长热中子探测器；

短伽马探测器；以及

长伽马探测器。