CN105122087A - 通过管中子测量方法及其设备、系统和使用 - Google Patents

Abstract

一种用于评估邻近井眼的岩层的特性的方法，包括：从中子源将中子场射入所述岩层，从射入所述岩层的中子场获取包括长中子中子(LNN)、短中子中子(SNN)、长中子伽马(LNG)和短中子伽马(SNG)数据的数据，并且将长数据与短数据结合以减小待评估的特性的误差。用于评估岩层特性的探测器包括用于探测LNN、SNN、LNG、SNG的中子源和探测器。

Description

通过管中子测量方法及其设备、系统和使用

技术领域

本发明涉及用于对岩层通过管测量的系统、设备和方法，并涉及基于那些测量的岩层的表征。

背景技术

可以使用钻孔测量设备来确定钻孔周围的岩层特性，且这些钻孔测量设备通常用在为了从钻孔周围的岩层中提取自然资源(如碳氢化合物)而钻出的井眼中。钻孔测量设备可以使用不同类型的测量方法，例如，钻孔测量设备可以使用伽马测量方法，热中子测量方法，电阻率测量方法或其他类型的测量方法。

当前有多种物理过程被用来通过管进行岩层评估以及其他井眼测量。对于基于中子的测量，有脉冲中子热中子、脉冲中子伽马、伽马伽马、中子热中子、中子超热中子等。注意，井下地球物理设备的命名规则是基于源-探测物理过程的。例如，中子热中子表示中子源以及热中子探测。大多数这些系统采用每个物理过程一个源，这将被称为单物理过程测量。针对两个物理过程采用一个源的系统被称为双物理过程测量。在当前可利用的双物理过程系统中，存在一种采用组合中子热中子、中子超热中子的系统。此外，在阿塞拜疆建造了中子热中子、中子伽马双物理过程测量设备。

使用单物理过程测量的一些缺点或劣势是缺少对诸如钻孔粗糙度、环状流体变化、矿物成分、管柱等因素的修正。为补偿这些劣势，使用了双探测器。这些设备通常被称为补偿设备。另一种方案是在分析过程中结合包括补偿设备在内的多个单物理过程测量设备。一个示例是中子热中子和伽马伽马物理过程，通常称为中子密度测量方法。通过管测量也限制了一些物理过程的有效性。例如，伽马伽马测量是受限的，因为管本身屏蔽了伽马射线，从而当伽马光子从源行进通过该管，然后再次作为光子返回探测器时存在损耗。这导致了低计数率，且增加了测量中的误差。

中子能轻而易举地穿透管，因此其对通过管测量而言是一个合乎逻辑的选择。在基于中子物理过程的测量中，脉冲中子设备不用于双物理方法测量。其原因是，脉冲中子源的长度不容许所要求的探测器之间的有效测量间隔。化学中子源小得多，因此可以有效地用于基于双物理过程的测量。中子超热测量对钻孔粗糙度高度敏感，因此对确定岩层参数而言不是理想的选择。

因此，需要一种测量工具或测井设备，以及使用所述测量工具或测井设备执行岩层评估的方法。

发明内容

本发明提供了多种方法、系统和测井工具，用于评估邻近井眼的一个或多个岩层的特性，测井工具放置在该井眼之下。基于对由中子源产生的射入该岩层且返回到探测器(一般为四个探测器，相对中子源定位以减少与所探测的场相关的误差)的中子热中子场和中子伽马场的探测来评估这些特性。这可以通过组合公式来实现，因为已确定，与中子伽马场关联的误差和与中子热中子场关联的误差相反。

可以在已布置套管的井眼中使用该测井工具，因为可通过该套管进行测量，且可以评估该岩层的各种特性，从而容许在安装该套管后进行评估，结果，就实现了在生产的各个阶段对该岩层的监测。

在一个实施例中，本发明提供了一种评估邻近井眼的岩层的特性的方法，其包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

从射入所述岩层的中子场中获取包括长中子中子(LNN)、短中子中子(SNN)、长中子伽马(LNG)和短中子伽马(SNG)数据的数据；

将所述长数据与短数据结合，以减少与该待评估特性相关联的误差。

在以上方法的另一实施例中，所述方法还包括以下步骤：

优化用于探测LNN的长中子探测器和用于探测SNN的短中子探测器相对于中子源的距离，从而最小化与待评估的特性相关联的误差。

在以上方法的又一实施例中，所述方法还包括以下步骤：

优化用于探测LNG的长伽马探测器和用于探测SNG的短伽马探测器相对于中子源的距离，从而最小化与待评估的特性相关联的误差。

在以上方法的又一实施例中，通过井眼套管获取所述数据。

在以上方法的又一实施例中，结合步骤包括使用与所述短数据相关联的误差消除与所述长数据相关联的误差。

在以上方法的又一实施例中，所述特性是中子孔隙率(QTP)以及用于评估QTP特性的公式是：

$QTP=A*\ln \left(\frac{SNN*LNG}{SNG*LNN}\right)+B$

其中A和B被经验地确定并且在受到钻头尺寸和研究的体积中高密度材料的量的影响。

在以上方法的又一实施例中，所述特性是中子粘土(QNC)以及用于评估QNC特性的公式是：

$QNC=A*(C^{\left(\frac{SNG}{LNG}\right)}+D*(\frac{SNN}{LNN}\left)\right)+B$

其中A、B、C和D是经验确定的系数。

在以上方法的又一实施例中，A、B、C和D分别是0.004、0、1.9和-1.5。

在以上方法的又一实施例中，所述特性是中子液体(QNL)以及用于评估特性QNL的公式是：

$QNL=A*\ln \left(\frac{LNG*SNG}{LNN*SNN}\right)+B$

其中选择A和B以产生QNL对QTP的最好的覆盖。

在以上方法的又一实施例中，所述特性是水饱和度(Sw)以及用于评估特性Sw的公式是：

$Sw=1-kf\frac{(QEP-QEL)}{QEP}$

其中

k＝流体因子；

f＝岩层因子；

QEP＝四有效孔隙率(无粘土)；以及

QEL＝四有效液体孔隙率(无粘土)；以及

其中

QEP和QEL被如下确定：

QEP＝QTP-QC和QEL＝QL-QC

其中

QTP＝四总孔隙率；

QC＝四粘土孔隙率；以及

QL＝四液体孔隙率；

流体因子k＝1/(MaxPor*QLgain)

其中

MaxPor＝WaterPor–OilPor；

WaterPor由如下确定：

OilPor由如下确定：

OilPor＝0.1333*OilAPI+71以及

QLgain如下计算：

QLgain＝QNLA值/32.5。

在另一实施例中，本发明提供了一种用于通过井眼套管确定邻近井眼的岩层的相对体积密度的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

获取长中子中子(LNN)场读数和长中子伽马(LNG)场读数；

分别将LNN和LNG转换成孔隙率以提供LNNpor和LNGpor；以及

通过从LNNpor减去LNGpor确定相对体积密度，

其中，LNNpor和LNGpor表示孔隙率转换的计数。

在另一实施例中，本发明提供了一种用于通过井眼套管确定邻近井眼的岩层的原子核井径(nuclearcaliper)的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

获取长中子中子(LNN)场读数和短中子中子(SNN)场读数；

分别将LNN和SNN转换成孔隙率以提供LNNpor和SNNpor；以及

通过从SNNpor减去LNGpor确定原子核井径，

其中，SNNpor和LNNpor表示孔隙率转换的计数。

在另一实施例中，本发明提供了一种用于通过井眼套管确定邻近井眼的岩层的化学效应的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

获取长中子伽马(LNG)场读数和短中子中子(SNN)场读数；

分别将LNG和SNN转换成孔隙率以提供LNGpor和SNNpor；以及

通过从SNNpor减去SNGpor确定化学效应，

其中，SNNpor和LNGpor表示孔隙率转换的单个探测器的计数。

在另一实施例中，本发明提供了一种用于评估邻近井眼的岩层的特性的系统，包括：

井下使用的测井工具，其收集用于评估邻近井眼的岩层的特性的数据，所述测井工具包括：

中子源，用于将中子场射入所述岩层；

短探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场；以及

长探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场；以及

计算机，用于将长数据和短数据结合以减小与待评估的特性相关的误差。

在另一实施例中，本发明提供了井下使用的测井工具，其收集用于评估邻近井眼的岩层的特性的数据，所述测井工具包括：

中子源，用于将中子场射入所述岩层；

短探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场；以及

长探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场。

在上述测井工具的又一实施例中，短探测器和长探测器被定位于与中子源间隔一个最佳距离，以使得与短探测器相关的误差基本消除与长探测器相关的误差。

在上述测井工具的又一实施例中，所述测井工具还包括包含铍铜合金的外壳。

附图说明

本文参照附图描述各实施例，其中：

图1为一种单源中子测井工具的示意图，该工具用于在井眼中(可选地通过套管)实施对邻近或几乎邻近该井眼的岩层特性的中子检测；

图2为使用单中子源采取中子测量的钻井系统的示意图；

图3为单中子源测井工具的一个示例的示意图，该工具具有长和短探测器，能够通过井眼套管进行测量；

图4示出单源测井工具的另一个示例，该工具具有长和短探测器，能够通过井眼套管进行测量；

图5为示出测试数据的图，其图示了中子热中子与中子伽马两者的场的自然对数的斜率；

图6是图示了套管对中子热中子和中子伽马场两者的影响的图；

图7是图示了在表征四中子孔隙率时QTP增益(A)与各种套管重量之间的关系的图；

图8为示出测试数据的图，其图示了在表征四中子液体时变化的水盐度对32API油的影响；

图9为示出测试数据的图表，其图示了所绘制的四中子无粘土孔隙率曲线与岩心孔隙率数据的关系曲线以及砂岩与石灰岩基体上的开孔中子密度孔隙率与岩心孔隙率数据的关系曲线，通过套管完成；

图10为数据图表，该数据与图5从同一个井收集，表示岩心粘土体积与四中子粘土曲线之间关系，通过套管完成；

图11为测试数据图表，其示出四相对体积密度曲线(标记为CE)和开孔体积密度曲线(RHOB)与从岩心分析获得的体积密度的关系；

图12为测试数据图表，其示出当前的原位饱和，通过套管完成；

图13为从水平井收集的数据组，最初钻挖水平井然后停工，因为在钻井过程中显示贫乏油甚至没有油。管在井中延伸，在底部有穿孔的短节。记忆四中子被从钢丝绳上抽下泵送到管道的端部，然后使用钢丝绳取出；

图14是来自图13的井的示出产量结果的绘图，其表明四中子系统正确地识别最高油饱和度的区域，其中，测量是通过套管进行的；以及

图15是示出探测器计数相比探测器间隔的自然对数的绘图。

具体实施方式

为了说明的目的，在图1中示出确定现有的垂直钻孔的岩层特性的钻孔测井工具或测量设备的使用。如所示的，通过多个岩层104a、104b、104c、104d、104e冲钻钻孔102。测井工具106或测量设备可以被下放在钻孔中以确定岩层(多个岩层)内的一个或多个特性。测井工具106可以包括，例如，中子源108和多个中子探测器，中子探测器包括短中子探测器110a和长中子探测器110b，例如伽马探测器、热中子探测器、或超热中子探测器。中子探测器的定位将在下文参照图3和4更详细地讨论。测量特性可以与钻孔内的测量高度相关联。在垂直、水平或偏斜钻孔中的测量可以在钻孔之后或者钻孔过程中进行，并且也可以在套管安装之后进行

使用四种不同类型的数据组集的中子分析技术在本文被称为四中子技术，因为该中子分析技术包括四种类型的数据组，以及既发射又探测中子场的测井工具在这种情况下包括单个中子源和两组双探测器，即短热中子和伽马探测器以及长热中子和伽马探测器，其中所述四个不同类型的数据组集包括针对中子热中子场探测器的两个数据组(靠近中子源的一个被称为短中子热中子场或数据组，而远离中子源的一个被称为长中子热中子场或数据组)和来自中子伽马场探测器的两个数据组(靠近中子源的一个被称为短中子伽马场或数据组，而远离中子源的一个被称为长中子伽马场或数据组)，。下文将参照图2、3和4更详细地讨论四单中子源测井工具和钻孔系统的所示的实施例。

具有多个探测器的单中子源可以提供关于岩层特性的有用信息。如本文进一步描述的，可以从通过中子探测器获得的中子场测量得到岩层特性，所述中子探测器包括位于测井工具中与中子源的距离较短和较长的热中子探测器和伽马探测器。

图2是使用单中子源测井系统进行岩层测量的钻井系统的示意图。如所示的，通过地壳冲钻钻孔202，地壳可以包括多个不同的岩层204a、204b、204c(总地被称为岩层204)。可以理解，不同的岩层将具有不同的特性，例如孔隙率、密度、粘土水平、油饱和度、水饱和度和其他特性。钻孔202由钻井系统206形成。

钻井系统206包括多个组件，用于钻出钻孔202并测量和记录钻孔202和周围岩层204的数据。可以理解，钻井系统206代表典型的钻井系统，可以有多种具体的钻井系统，其对于特定应用具有特定的适用性，这是本领域技术人员已知。钻井系统206包括钻孔中的钻柱。钻柱在其头部具有钻头208和泥浆马达210。钻井泥浆在压力的作用下从表面供应至泥浆马达210。钻井泥浆使得泥浆马达210旋转钻头208。注意，当如图所示地使用泥浆马达时，上柱组件，即连接在泥浆马达210和表面之间的钻柱的组件，不会随着钻头208旋转。

钻柱中可以包含一个或多个管212。管212被示出为在其内部214具有多个传感设备216、218、226。可以理解，多个不同的传感设备可以被包含在钻柱内的不同位置。传感设备216、218、226被示出为为了方便被容纳在同一个管212内。不同的传感设备可以提供各种功能。例如，传感设备216可以提供遥测测量、倾斜测量、磁场强度测量、压力测量、振动测量、或者可以理解的期望的或者合适的其他类型的测量。

传感设备218也提供测量，然而如下文进一步描述的，它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。可以由所述测量确定的岩层特性依赖于在包含在设备中的短和长传感器对场信息收集之后所进行的分析，并且可以包括诸如密度、孔隙率、饱和度、钻孔井径等测量。传感设备218被示出为具有中子源222和长中子探测器220和短中子探测器224。短和长中子探测器可以包括伽马探测器和热中子探测器。

在一个实施例中，四测井工具包括在中子源一侧的热中子探测器和在另一侧的中子伽马探测器。图中所示的布置示出短中子相对于长中子在源的相对侧，但并不意于限制于此，如上文所述，热中子探测器可以位于中子源的一侧而中子伽马探测器位于另一侧。

传感设备216、218可以将测量信息存储于内部的存储器中，以用于后面在地面的检索和处理。另外地或者可替代地，可以使用各种通信技术将测量信息或者测量信息的一部分实时地或者几乎实时地传输至地面。例如，另外的设备226可以从多个传感设备216、218接收测量信息并且提供测量值的存储和/或将测量值通信至地面。例如，另外的设备226可以提供线路通信接口或者其他类型的井下通信接口，例如泥浆脉冲通信。虽然通过传感设备216、218进行的测量值的存储和/或通信被描述为通过另外的设备226提供，但是可以设想，可以在每个单独的设备中提供存储和/或通信接口。

图3是能够使用单中子源进行中子场测量的测井工具的示意图。测井工具900可以被包含至钻柱以在钻井的同时提供测量，或者可替代地可以随着钻井被简单地置于井眼下以提供工作或生产的各个阶段邻近井眼的岩层的表征。测井工具900包括外壳902或套管。外壳可以由铍铜合金制作，铍铜合金被确定具有非常好的伽马透射特性，同时仍能够保持用于井下工具外壳所需的机械特性，例如对诸如压力、温度和腐蚀的抵抗。

测井工具900还包括中子源908，用于将中子场射入邻近井眼的岩层(多个岩层)，以及基于中子的探测器910、912、914、916，例如伽马探测器、热中子探测器和/或超热中子探测器。中子探测器相对于中子源908定位，以使得某些探测器靠近中子源，被称为短探测器，例如探测器912和914，而某些探测器远离中子源，被称为长探测器，例如探测器910和916。如所示的，中子源908和基于中子的探测器910、912、914、916被配置为偏离测井工具的中心轴，然而，可以使用任意合适的方位，只要可以进行长和短测量就行。关于短和长探测器的方位的讨论将在下文更详细地描述。

图4示出另一测井工具，其能够使用中子源进行用于表征邻近井眼的岩层特性的测量。测井工具1000可以容纳在钻井管或套管内。测井工具1000可以随着钻井管旋转，钻井管由钻机旋转。可替代地，如果可以将电能从地面供应至测井工具，那么电动马达就可以用于旋转测井工具。可以理解，也可以使用用于旋转测井工具的其他技术。

测井工具1000可以包括用于容纳工具的各个探测器和组件的圆柱形外壳1002。虽然具体尺寸可以改变，但是测井工具1000被示出为具有179英寸的长度。主圆柱形外壳可以具有大约1.7英寸的外直径并且可以由铍铜合金制成，铍铜合金被确定为具有较好的伽马透射特性，同时仍能够保持用于井下工具外壳所需的机械特性，例如对诸如压力、温度和腐蚀的抵抗。如所示的，测井工具1000包括沿工具的长度定位的多个传感器和探测器。也可以测量流体电阻率的上孔温度传感器1004可以距离工具的上孔端6.25英寸。高伽马射线探测器1006和伽马射线探测器1008可以分别距离上孔端17.5英寸和38.1英寸。套管接箍定位器1010可以距离上孔端71.5英寸。长和短中子伽马探测器1012、1014可以分别距离上孔端101英寸和110英寸。诸如镅铍源的中子源1016可以距离上孔端121.7英寸。短和长中子中子探测器1020、1022可以分别距离上孔端136.2英寸和144.4英寸。底孔温度和流体电阻率传感器1024可以距离测井工具的上孔172.8英寸。应当理解，图4所示的测井工具仅为了示出组件的示例性配置。可以设想，可以省略多个组件，改变它们在工具内位置(包括距离上孔端的长度)，以及包括其他组件。

由于中子测量的统计特性，开发了双测量物理过程系统以减小由于从分离的中子源输出的中子的变化的统计学差异。

为了产生平衡的场的测量，研究了中子热中子和中子伽马场两者。已经确定，采用短探测器和源以及长探测器和源之间的合适的探测器间距，测量值的自然对数的斜率可以匹配不同的流体类型。说明这一点的实验数据在图5示出。

随后研究了通过井眼套管进行测量的影响。该研究结果是中子热中子斜率随着不同的套管保持不变并且中子伽马斜率开始显示斜率的偏离。另一研究结果是如果选择了正确的探测器间距，中子伽马探测器的计数变化的影响最低。

理想的探测器间距随着测量环境变化。因为测量环境不是一成不变的，探测器间距应当根据最好的平均拟合来选择。

图6示出套管对中子热中子和中子伽马两者的影响。

因为屏蔽对中子伽马测量的影响是显著的，所以针对不同的测井工具外壳材料进行了研究，努力开发一种减小或最小化外壳对中子伽马测量的影响的外壳。已经确定，铍铜合金具有非常好的伽马透射特性，同时仍能够保持用于井下工具外壳的所需的机械特性，例如对诸如压力、温度和腐蚀的抵抗。

已经发现，某些用于中子伽马传感器中的光电倍增管的材料当遇到中子流时会引起人工计数。结果，可以使用HamamatsuR1288A光电倍增管。这种特殊探测器暴露于中子源流附近可预测并且非剧烈地响应。

四中子物理过程模型

在实现最初的单源四中子测井工具之后，在已知环境进行了测试以证明理论结果。结果不像预期的那样。测试表明四中子响应不满足根据公开的与测量物理过程有关的理论性材料的预期。整个设计被复审并且发现在用于中子测井工具的半导体的响应函数的错误。测井工具随后被重新设计为具有军事级别的半导体组件。再一次，实验测试过程中四中子响应不满足理论预期。进行第二次设计复审并且没有发现测量设备的错误。结论是，对于中子测井工具测量设备，所使用的常见理论模型是不正确的。结果，限定了使用四中子测井工具收集的数据的用于岩层的四中子表征的定制测量模型。

已经进行了研究以确定四中子测井工具的中子测量模型的特性。在该研究过程中的结果得出的结论是，四中子测井工具的原子核特性可以用颗粒和场的物理性质表征。该认识引起了四NN(中子中子)弦模型(QuadNeutronNeutronStringmodel)的开发。

为了避免被理论束缚或者以任意方式限制，非限制的四NN弦模型可以被如下解释。在任何一个基体中，中子在被俘获之前具有最大的行进距离。从源到最远的俘获点的行进长度被认为是可以由弦代替的直线，其可以被一点永久固定于源而另一点在俘获点处。那么，弦表示中子可以在基体内从源行进的最大距离。如果中子可以行进笔直的弦的整个长度，则应该能够行进一半的距离并且之后返回至源。这可以通过在源固定该弦的两端来表示。由于主要考虑可探测到的中子，因而弦的一端被留在中子源处而弦的另一端被置于探测器处。如果追踪所固定的弦所允许的所有可能路径，则这表示可探测中子将行进的所有路径并且限定了被调查的体积。调查的体积是四中子测井工具从其收集数据的体积。如此，位于该体积内的所有材料对所记录的响应有贡献。

调查的体积的形状是椭球形的，源和探测器作为长轴的焦点。短轴表示调查的深度并且由被调查的体积内的热化和中子俘获特性控制。弦的长度直接与基体内的热化和热中子截面俘获区域特性相关。基体的热化特性被称为热化指数而热中子截面俘获区域特性被称为俘获指数。

从理论的角度来看，NN线模型是确定的但是四中子测井工具也包含中子伽马(NG)组件。已经进行了研究以确定四中子测井工具的中子伽马测量模型的特性。最初，结论是NG模型本质上应该是球形的，因为伽马辐射的源起源于中子的捕获事件。测试表明伽马场在形状上类似于产生它的中子场并且中子中子和中子伽马计数之间的比较证实了这种关系。因为这种测量是真正的伽马测量，也已知可以通过增加它所行进通过的基体的密度来停止伽马光子。然后，这种关系限定了调查的椭球形体积，其焦距直接与基体的密度成正比。

基于上述模型，得到了如下测量。

因为调查研究的两个场看上去具有相同的几何形状，可以使用组合测量来确定岩层特性。为了确定孔隙率，使用了如下研究方法。

图5示出了探测器计数率的自然对数的绘图。钻孔和液体改变引起NN和NG线偏移。孔隙率改变使得线改变斜率。

斜率改变的量与孔隙率有关。可以通过Y–X或如下公式计算斜率改变：

Y-X＝lnLNG-lnLNN-(lnSNG-lnSNN)

这引起四孔隙率(QTP)的推导。

四中子孔隙率(QuadNeutronPorosity)

待测量的一个重要的岩层特性是孔隙率，而四中子测井工具允许根据四中子测井工具收集的场信息表征孔隙率。孔隙率对中子伽马和中子热中子的影响已被研究。结果表明针对中子伽马测井数据的孔隙率误差与针对中子热中子测井数据的孔隙率误差相反。产生组合公式以最小化孔隙率误差。针对四孔隙率(QTP)的公式如下：

$QTP=A*\ln \left(\frac{SNN*LNG}{SNG*LNN}\right)+B$

其中A和B被经验地确定并且受到钻头尺寸和调查研究的体积内的铁或高密度材料的量的影响。图7的图示出QTP增益(A)与各种套管重量的关系。

改变钻头尺寸并由此改变钻孔尺寸使得所计算的孔隙率发生偏移。如下表1中所列的值是基于经验A值取为65确定的并且通常用作孔隙率的起始点。如果当前套管/钻头尺寸配置没有事先遇到，偏置孔隙率数据可以用于适当地设置偏移。

表1:基于钻头尺寸和套管直径的A和B的经验值

Csg	钻头	A	B
				4 1/2"	6 1/4"	65	-6
5 1/2"	7 7/8"	65	-9
				7"	8 3/4"	65	-12

四中子粘土(QuadNeutronClay)

粘土的存在会引起孔隙率测量的误差。在钻石开采洞中的研究引起四中子粘土计算的推导。该推导基于大多数粘土包含铝而铝遇到中子流会发生辐射的事实。因此，增加的伽马活性与粘土有关。用于以孔隙率单位计算四中子粘土(QNC)的公式如下：

$QNC=A*(C^{\left(\frac{SNG}{LNG}\right)}+D*(\frac{SNN}{LNN}\left)\right)+B$

其中A、B、C和D是经验确定的系数。A、B、C和D的典型值分别是0.004、0、1.9和-1.5。绝对值的确定可以从偏移的岩心(core)数据或本地地质经验确定。

通过取绝对值，它相对于岩心粘土体积和岩心孔隙率最佳拟合。粘土体积可以在实验室中测量以确定粘土的物理量。来自岩心数据的值可以被相对于QNC曲线被绘制。参数A、B、C和D可以被调整直到QNC曲线与岩心数据有最佳拟合关系。为了进行该处理，B被设为0，而C和D被调整直到该趋势被匹配，并且A被调整以使得岩心孔隙率等于QTP–QNC。

与岩心数据的比较证实了测量的精确性。

四中子液体(QuadNeutronLiquid)

用于确定流体类型和确定饱和度的一种方法依赖于孔隙率误差的确定。1983年6月，Roke在SPWLA第24届AnnualLoggingSymposium上发表了题为“TheuseofMultipleThroughCasingPorosityLogstoQuantifyWaterSaturation”的论文。该论文基于根据由于液体变化产生的孔隙率误差确定饱和度的概念。四中子液体(QNL)计算组合了中子热中子和中子伽马物理过程以最大化孔隙率误差。该公式基于液体改变引起图15中的NN和NG线偏移的观察。这产生X+Y计算，使得QNL计算如下：

$QNL=A*\ln \left(\frac{LNG*SNG}{LNN*SNN}\right)+B$

其中A和B被选择以产生QNL对QTP的最好的覆盖。图8的绘图示出变化的水盐度对32API油的影响并且该影响基于实验室的测试数据。图8的绘图中展示的公式可以用于根据给定的kppm盐度y确定期望的孔隙率值x。

四中子液体曲线对于密度变化是敏感的并且在用于饱和计算之前应当被修正。

双探测器中子(DualDetectorNeutron)

双探测器中子(DDN)用于确定当覆盖以上述的QTP曲线时的相对的含氢指数。该计算与用于工业的基本中子孔隙率计算类似。为了整个过程的完整，在这里给出公式。双探测器中子被如下确定：

$DDN=A*\ln \left(\frac{SNN}{LNN}\right)+B$

其中A和B被选择以产生DDN对QTP的最好的覆盖。

饱和度

岩层和储油层评估的一个目标是确定油饱和度。典型地，确定水饱和度Sw后，油就被假设为1-Sw。实验室测试已经示出针对四中子数据的饱和关系已经被近似于线性关系。针对四中子的Sw计算如下确定：

$Sw=1-kf\frac{(QEP-QEL)}{QEP}$

其中，k表示流体因子，f表示岩层因子，QEP表示四有效孔隙率(QuadEffectivePorosity)(无粘土)而QEL表示四有效液体孔隙率(QuadEffectiveLiquidPorosity)(无粘土)。QEP和QEL被如下确定：

QEP＝QTP-QC和QEL＝QL-QC

其中，QTP表示四总孔隙率(QuadTotalPorosity)，QC表示四粘土孔隙率(QuadClayPorosity)(在本文被称为QNC)，而QL表示四液体孔隙率(QuadLiquidPorosity)(在本文也被称为QNL)。

流体因子被确定为k＝1/(MaxPor*QLgain)

其中，MaxPor＝WaterPor-OilPor以及WaterPor被如下给出

$WaterPor=(12.73+\sqrt{{12.73}^2-4*0.0966*(403.04-Waterkppm)})/(2*0.0966)$

OilPor被如下给出

OilPor＝0.1333*OilAPI+71

QLgain被如下给出

QLgain＝QNLA值/32.5

通过本地经验确定岩层因子的方式与工业标准Sw计算的Archie公式中的岩层因子相同。用于上述公式的四液体曲线应当针对密度变化被修正。四液体曲线在高密度材料中将测出太低的孔隙率，而在低密度材料中将测出太高的孔隙率。该修正通常使用化学效应曲线或者相对体密度曲线和化学曲线之间的混合。

辅助测量

假设四中子孔隙率被计算并被视为孔隙率，通过产生探测器计数和孔隙率之间的最佳拟合关系将各个传感器读数转换成孔隙率。一旦被建立，在单个探测器之间以孔隙率单位进行计算。其中，相对体积密度、原子核井径和化学效应被确定和详细说明。

相对体积密度(RelativeBulkDensity)

现有技术的确定体积密度的一种方法使用受套管影响的伽马伽马测量。四相对体积密度测量基于中子中子和中子伽马场之间的关系。使用观察和实验方法，发现了LNN场读数和LNG场读数之间的关系。一旦两个探测器被转换成孔隙率，相对体积密度被如下确定：

相对体积密度＝LNNpor-LNGpor

其中，LNNpor和LNGpor表示孔隙率转换的计数。

如果偏移或体积密度数据可用于校准，那么可以确定绝对体积密度。

原子核井径(NuclearCaliper)

四中子系统和方法能够进行的另一岩层评估是测量管后面的钻孔尺寸。通过使用四中子原子核模型、观察和实验方法再次推导该方法。结果是LNN探测器对于近井眼效应非常敏感，因此改变钻孔尺寸将影响所探测的计数率。原子核井径NC被如下确定：

NC＝SNNpor-LNNpor

其中SNNpor和LNNpor表示孔隙率转换的计数。本领域技术人员可以理解，原始SNN和LNN计数被转换成校准的过滤值。然后，通过针对单个探测器计数调整增益和偏移值直到该曲线在选择的间隔上与QTP具有最佳拟合的关系，将校准的过滤值转换成孔隙率。所选择的间隔使得NC和CE的计算在低孔隙率方解石间隔产生可能最佳的效应。

化学效应(ChemicalEffect)

导出化学效应曲线以测量岩层中的化学变化。通过观察和实验方法，该曲线被发现对于碳氢化合物是敏感的并且随后可以用于提供对四中子液体曲线的修正。

化学效应曲线(ChemicalEffectCurve)CE被如下确定：

CE＝SNNpor-LNGpor

其中SNNpor和LNGpor表示孔隙率转换的单个探测器计数。

流动性(渗透性)

可能通过四中子系统和方法进行的另一测量是确定渗透性的双伽马射线方法。该方法基于对水井流动性所做的工作，其中发现水井流动速率与伽马射线水平有关。基本原理是细小的高度可运输的放射性材料、粉末被低能量沉积环境的泥浆卡住。泥浆降低岩层的渗透性，并因此能够测量粉末将提供推断渗透性的能力。这些粉末的伽马能量水平被认为处于80kev和180kev之间。为了隔离这些能量，使用两个伽马探测器。机械过滤器被设计为最小化该能量范围。过滤器被应用于一个探测器而另一个探测器是无屏蔽的。这些测量值被相互比较，并且作为两个测量值接近时，被探测的粉末的量减小了，从而推断渗透性。与裸井SP测量的比较已显示出精确的结果。该测量受到限制的场合是在钙化砂层中，因为钙化作用不会产生粉末的变化。然而在这些情况下，可以发现四孔隙率降低而相对体积密度增加。

利用能量截止过滤器重现该屏蔽的尝试没有成功。原因在于机械过滤器的透射性不是简单的线性能量过滤器并因此不能使用简单的能量截止来重现。理论上讲，电的或软件的过滤器可以用于重现用于过滤的伽马射线的屏蔽，但是在本文件撰写时还没有实现。关于过滤器的设计的记录也被包含作为本专利申请的一部分。

与本文公开的方法、系统和测井工具有关的一些优势是通过管实施的精确的岩层评估。本发明的方法、系统和测井工具具有在其他技术不能识别油和气的情况下识别油和气的能力。另一优势是在水平井中获取数据是较安全的，因为可以通过管进行测量，这减小了在井中由于井眼塌陷和垮塌而失去放射源的风险。如果井眼塌陷或垮塌，钻管被卡住，那么四中子工具将从管中取出。另一优势在于对现有的套管井的重新评估以及识别碳氢化合物和错过的找到油井的机会。

示例

如下示例是使用四中子技术和双中子测井工具和系统进行的测量的集合。

历史档案1。四中子在低电阻率岩层中识别出被忽略的油。油产量从每天8立方米增加至每天20立方米，水没有增加。岩心比较。如下示例示出无粘土四中子孔隙率与岩心孔隙率的关系曲线，以及砂岩和石灰岩基体中的开孔中子密度孔隙率与岩心孔隙率的关系曲线，并且在图9中示出。通过套管收集四中子数据。

从同一口井，岩心粘土体积相对于四中子粘土的曲线被画出，如图10所示。再次，存在与粘土体积的优良的相关性，并且通过套管进行四中子测量。研究在2388m的差异，据悉，岩心样品是大约5cm厚的一薄层致密的碳酸盐岩层，该岩层远小于四粘土测量的1m的垂直层分辨率，因此在测井过程中该测量并没有完全被解决。

在另一岩心示例中，四相对体积密度曲线(QuadRelativeBulkDensitycurve)(被标记为CE)被示出与开孔体积密度曲线(RHOB)和从的岩心分析获得的体积密度进行比较，如图11所示。岩心和四测量之间存在有良好的相关性，并且再次通过管进行四测量。

在如下示例中，四中子被记录以确定当前的原位饱和度。初期产量被报道为对97.4％Sw，水为277t/天而油为7.4t/天。四记录示出上段比下段具有更高的油饱和度。在进行井修复之后，仅上面7m保持开口。井恢复生产并且对69.4％Sw，产量为水25t/天而油11t/天。水减小了90％而油增加了48％。再次，通过套管进行四测量。记录如图12所示。

最后的示例性数据组如图13所示。最初钻挖水平的井然后停工了，因为在冲钻过程中显示油贫乏甚至没有油。管道在井中延伸，在底部有穿孔的短节。记忆四中子被从钢丝绳上泵送到管道的端部，然后使用钢丝绳取出。图13示出所得到的测井记录。

测井记录的分析示出井的跟部有油以及在1950米之后有大量的水。为了测试该结果，安装一台泵并且使井生产。初始的油产量攀升至超过每天100bbls的油，出水(watercut)68％；然后在45天的最后下降到每天50bbls的油，出水80％。中止生产并且将膨胀式封隔器设置在1950m。井恢复生产并且在两周之后产量达到每天50bbls的油,出水50％。决定增加泵浦速率并且产量超过每天100bbls的油,同时保持出水50％。继续高泵浦速率直到封隔器失效，油产量降低至小于每天10bbls的油，出水超过95％。

从产量的结果可以看出，如图14所示的，四中子系统正确地识别最高油饱和度的区域并且允许生产者在降低它们的水产量的同时增加油产量。并且，测量是再次通过管进行的。

可以理解，本文所述的理论是非限制性的，其并非发明人意于通过理论而局限。包括比较分析的分析显示出本方法、系统和/或测井设备的准确性和实用性，不需要被所述理论限制。

Claims (17)

1.用于评估邻近井眼的岩层的特性的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

从射入所述岩层的所述中子场获取包括长中子中子(LNN)、短中子中子(SNN)、长中子伽马(LNG)和短中子伽马数据(SNG)的数据；

将长数据和短数据结合以减小与所述待评估的特性相关联的误差。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

优化用于探测LNN的长中子探测器和用于探测SNN的短中子探测器相对于所述中子源的间距，从而最小化与所述待评估的特性相关联的误差。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括如下步骤：

优化用于探测LNG的长伽马探测器和用于探测SNG的短伽马探测器相对于所述中子源的间距，从而最小化与所述待评估的特性相关联的误差。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，通过井眼套管获取所述数据。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述结合步骤包括使用与所述短数据相关联的误差消除与所述长数据相关联的误差。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述特性是中子孔隙率(QTP)，而用于评估QTP特性的公式是：

$QTP=A*ln\left(\frac{SNN*LNG}{SNG*LNN}\right)+B$

其中，A和B被经验地确定并且被钻头尺寸和研究的体积中的高密度材料的量影响。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述特性是中子粘土(QNC)，而用于评估QNC特性的公式是：

$QNC=A*(C^{\left(\frac{SNG}{LNG}\right)}+D*\left(\frac{SNN}{LNN}\right))+B$

其中，A、B、C和D是经验确定的系数。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述A、B、C和D分别是0.004、0、1.9和-1.5。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述特性是中子液体(QNL)，而用于评估QNL特性的公式是：

$QNL=A*ln\left(\frac{LNG*SNG}{LNN*SNN}\right)+B$

其中，选择A和B以产生QNL对QTP的最好的覆盖。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述特性是水饱和度(Sw)，而用于评估Sw特性的公式是：

$Sw=1-kf\frac{(QEP-QEL)}{QEP}$

其中

k＝流体因子；

f＝岩层因子；

QEP＝四有效孔隙率(无粘土)；以及

QEL＝四有效液体孔隙率(无粘土)；以及

其中

QEP和QEL被如下确定：

QEP＝QTP-QC和QEL＝QL-QC

其中

QTP＝四总孔隙率；

QC＝四粘土孔隙率；以及

QL＝四液体孔隙率；

流体因子k＝1/(MaxPor*QLgain)

其中

MaxPor＝WaterPor–OilPor；

WaterPor被如下确定：

$WaterPor=(12.73+\sqrt{{12.73}^2-4*0.0966*(403.04-Waterkppm)})/(2*0.0966)$

OilPor被如下确定：

OilPor＝0.1333*oilAPI+71以及

QLgain被如下计算：

QLgain＝QNLA值/32.5。

11.一种用于通过井眼套管确定邻近所述井眼的岩层的相对体积密度的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

获取长中子中子(LNN)场读数和长中子伽马(LNG)场读数；

将所述LNN和LNG分别转换成孔隙率以提供LNNpor和LNGpor；以及

通过从所述LNNpor减去所述LNGpor确定相对体积密度，

其中，LNNpor和LNGpor表示孔隙率转换的计数。

12.一种用于通过井眼套管确定邻近所述井眼的岩层的原子核井径的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

获取长中子中子(LNN)场读数和短中子中子(SNN)场读数；

将所述LNN和SNN分别转换成孔隙率以提供LNNpor和SNNpor；以及

通过从所述SNNpor减去所述LNNpor确定原子核井径，

其中，SNNpor和LNNpor表示所述孔隙率转换的计数。

13.一种通过井眼套管确定邻近所述井眼的岩层的化学效应的方法，包括：

从中子源将中子场射入所述岩层；

获取长中子伽马(LNG)场读数和短中子中子(SNN)场读数；

将所述LNG和SNN分别转换成孔隙率以提供LNGpor和SNNpor；以及

通过从所述SNNpor减去所述LNGpor确定所述化学效应，

其中，SNNpor和LNGpor表示所述孔隙率转换的单个探测器计数。

14.一种用于评估邻近井眼的岩层的特性的系统，包括：

井下使用的测井工具，其收集用于评估邻近井眼的岩层的特性的数据，所述测井工具包括：

中子源，用于将中子场射入所述岩层；

短探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场；以及

长探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场；以及

计算机，用于将长数据与短数据结合以减小与所述待评估的特性有关的误差。

15.井下使用的测井工具，其收集用于评估邻近井眼的岩层的特性的数据，所述测井工具包括：

中子源，用于将中子场射入所述岩层；

短探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场；以及

长探测器，用于探测中子伽马场和中子热中子场。

16.根据权利要求15所述的测井工具，其中，所述短探测器和所述长探测器被定位于与所述中子源的一个最佳距离，以使得与所述短探测器相关联的误差基本消除与所述长探测器相关联的误差。

17.根据权利要求15或16所述的测井工具，还包括包含铍铜合金的外壳。