CN105190364A - 多源中子测量方法及其装置、系统和使用 - Google Patents

Abstract

开发了一种多源中子测井工具。多源测井工具包括在多中子源的任一侧上轴向排列的伽马和热中子探测器。多源中子测井工具可以用于评价邻近钻孔的岩层。

Description

多源中子测量方法及其装置、系统和使用

技术领域

在某些实施例中，本发明涉及多中子源地球物理测量装置并且尤其涉及多中子源发射和几何表征及其用于例如岩层表征的使用和操作。

背景技术

可以使用钻孔测量装置来确定钻孔周围的岩层特性，并且这些钻孔测量装置通常用在为了从钻孔周围的岩层提取诸如碳氢化合物的自然资源而钻探的井眼中。钻孔测量装置或测井工具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、电阻率测量方法或其他类型的测量方法。

目前存在许多用来通过管进行岩层评价和其他井眼测量的物理过程。针对基于中子的测量，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，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。大多数这些系统采用每个物理过程一个源，这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。在当前可用的双物理过程系统中，存在利用组合中子热中子、中子超热中子的系统，其可以被认为是对四中子双物理过程测量的最接近的模拟。此外，还有在阿萨拜疆(Azerbaijan)建立的中子热中子、中子伽马双物理过程测量装置。

使用单物理过程测量的一些缺点或不利之处在于缺少可用于诸如钻孔粗糙度、环形流体改变、矿物、管柱等因素的校正。为了补偿这些缺点，可以使用两个探测器。这些装置通常被称为补偿装置。另一解决方案是在分析期间组合多个单物理过程测量装置，包括补偿装置。示例是通常被称为中子密度测量的中子热中子和伽马伽马物理过程。通过管测量还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，并且因此随着伽马光子从源行进通过该管，然后再次作为光子返回至探测器时存在损失。这导致了低计数率并增加了测量中的误差。

中子可以容易地穿透管，并且因此是用于通过管测量的合理选择。在基于中子物理过程的测量中，脉冲中子装置自身不适合双物理测量。原因是脉冲中子源的长度不允许所需探测器的有效测量间隔。化学中子源小得多，并且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并且不是确定岩层参数的理想选择。测量工业通常使用单一中子源测量装置来采集该数据。单一中子源装置用于实现高中子输出。单一高中子源用于中心是中子源的源场，通常假定为球体几何形状。装置探测器放置在源附近以位于场内。通常，在轴向配置中装置被设计为在源附近具有一个探测器，在实际中尽可能接近。一般来说，对接近度的限制本质上是机械的。然而，单一高输出中子源的使用关于涉及孔隙率和粘土体积测量所采集的数据具有有限的精度。

早期的商业中子测井工具包括单中子源和单中子探测器。由这些工具获得的信息具有非常有限的价值，因为其不分离岩层孔隙率和岩层盐度的效果。

已经采用几种方法来消除或至少减少对中子井测井工具的孔隙率读取的钻孔影响。实现此目的的一种简单方式是设计一种分散式工具，其中源和探测器被压向钻孔的一个壁。

双中子发射测量装置已经被开发出来，其交替改变源输出。然而，这导致了球状场几何形状。另外，交替的源不会增强源场几何形状，并且不允许有效平衡的4探测器测量系统。

因此，需要一种中子源地球物理测量装置，其克服在目前工业中观察到的缺点的一个或多个。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种用于采集用于评价邻近井眼的岩层的特性的数据的多中子源井下测井工具，该测井工具包括：

多中子源，每个中子源被轴向排列以用于将中子场同时发射至岩层中；

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。

在上述测井工具的另一实施例中，多中子源的中子源被连续地首尾相接地排列以用于将中子场同时发射至岩层中。

在上述测井工具的另一实施例中，多中子源的中子源被配置为在从源同时发射场时提供最佳的中子干涉场。

在上述测井工具的另一实施例中，短探测器和长探测器被定位为与多中子源相距一个最佳距离，以使得与短探测器相关联的误差基本抵消与长探测器相关联的误差。

在上述测井工具的另一实施例中，多中子源是双中子源。

在上述测井工具的另一实施例中，测井工具还包括包含铍铜的外壳。

在另一实施例中，本发明提供一种评价邻近井眼的岩层的特性的方法，包括：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至岩层中；

从发射至岩层中的中子场获得包括长中子中子(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；

将长数据与短数据组合以减小与待评价的特性相关联的误差。

在上述方法的另一实施例中，该方法还包括以下步骤：

优化用于探测LNN和LNG的长探测器相对于多中子源的间隔以及用于探测SNN和SNG的短探测器相对于多中子源的间隔以最小化与待评价的特性相关联的误差。

在上述方法的另一实施例中，同时将中子场发射至岩层中的步骤通过井眼套管。

在上述方法的另一实施例中，组合步骤包括将与长数据相关联的误差和与短数据相关联的误差抵消。

在上述方法的另一实施例中，所述特性是中子孔隙率(QTP)并根据以下公式来评价：

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

其中，A和B通过经验确定并且被钻头大小和调查的体积中高致密材料的量影响。

在上述方法的另一实施例中，所述特性是中子粘土(QNC)并根据以下公式来评价：

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

其中，A、B、C和D是通过经验确定的系数。

在上述方法的另一实施例中，A、B、C和D分别是0.004、0、1.9和-1.5。

在上述方法的另一实施例中，所述特性是中子液体(QNL)并且根据以下公式来评价：

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

其中，A和B被选择来创建QNL至QTP的最佳覆盖。

在上述方法的另一实施例中，所述特性是水的饱和度(Sw)并且根据以下公式来评价：

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

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并且

QLgain被计算为：

QLgain＝QNLA值/32.5。

在另一实施例中，本发明提供一种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：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至岩层中；

获得长中子中子(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来确定相对体积密度，

其中，LNNpor和LNGpor表示孔隙率转换后的计数。

在另一实施例中，本发明提供一种通过井眼套管确定邻近井眼的岩层的原子核井径的方法，包括：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至岩层中；

获得长中子中子(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LNNpor来确定原子核井径，

其中，SNNpor和LNNpor表示孔隙率转换后的计数。

在另一实施例中，本发明提供一种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：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至岩层中；

获得长中子伽马(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LNNpor和LNGpor；以及

通过从SNNpor减去LNGpor来确定化学效应，

其中，SNNpor和LNGpor表示孔隙率转换的单个探测器计数。

在另一实施例中，本发明提供一种用于评价邻近井眼的岩层的特性的系统，包括：

测井工具，用于井下使用来采集用于评价邻近井眼的岩层的特性的数据，该测井工具包括：

多中子源，每个中子源被轴向排列以用于将相应的中子场同时发射至岩层中；

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组合以减小与待评价的特性相关联的误差。

附图说明

这里参考附图描述实施例，其中：

图1是用于可选地通过套管执行井眼中邻近或几乎邻近井眼的岩层特性的中子探测的单源中子测井工具的图；

图2是用于使用单中子源采取中子测量的钻井系统的图；

图3是具有能够通过井眼套管进行测量的长和短探测器的单中子源测井工具的示例的图；

图4示出具有能够通过井眼套管进行测量的长和短探测器的单一源测井工具的另一示例；

图5是两个单独中子源场的示意图；

图6是两个叠加中子源场的示意图，其中，叠加中子源场的干涉利用指示支持干涉(supportinginterference)的线示出；

图7是示出所进行的伽马场测量的图，其中两个中子源在罐内轴向地定心，源活动被指示支持干涉的线分隔大约2”；

图8是示出所采用的热中子场绘制的图，其中两个中子源在罐内轴向地位于中心，源活动被指示支持干涉的线分隔大约2”；以及

图9是用于执行实验数据采集中的一些的双中子发射装置的图像。

图10是示出表示中子热中子和中子伽马的场的自然对数的斜率的测试数据的图；

图11是示出在表征四中子孔隙率中关于QTP增益(A)与各种套管重量的关系的图；

图12是示出表示在表征四中子液体时变化的水盐度对32API油的影响的测试数据的图；

图13是示出探测器计数与探测器间隔的自然对数的图。

具体实施方式

已经开发了多源中子地球物理测量装置或测井工具。多源测井工具包括在多中子源的任一侧上轴向排列的伽马和热中子探测器。测井工具的一个实施例利用首尾相接地顺序放置的两个轴向排列的中子源，并且将在下文参考图1-4进一步详细描述。已经确定可以使用两个中子源来在从源同时发射场时实现最佳的中子干涉场。干涉场的角度可以被调节以提供比传统的单中子源离探测器更近的最佳中子活动焦点。带有数学运算的装置在裸井和通过管的测量环境中提供准确的孔隙率和粘土体积测量。所进行的实验出人意料地揭露了对于装置测量成功的关键部件，即双中子源。

钻孔测井工具或测量装置在确定已有的垂直钻孔的岩层特性中的使用在图1中为了示意目的而示出。如所示出的，通过多个岩层104a、104b、104c、104d、104e钻探钻孔102。测井工具106或测量装置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可以包括例如多或双中子源108以及包括短中子探测器110a和长中子探测器110b的多个中子探测器，诸如伽马探测器、热中子探测器或超热中子探测器。中子探测器的定位将在下文参考图3和4进一步详细论述。测量特性可以与钻孔内的测量的高度相关联。在垂直、水平或倾斜的钻孔中的测量可以在钻孔被钻探后或正在被钻探时进行并且也可以在安装套管后进行。

使用四个不同类型的数据组集的中子分析技术在此被称为四中子技术，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，其中四个不同类型的数据组集包括用于中子热中子场探测器的两个数据集(靠近中子源的一个被称为短中子热中子场或数据集，以及远离中子源的一个被称为长中子热中子场或数据集)以及来自中子伽马场探测器的两个数据集(靠近中子源的一个被称为短中子伽马场或数据集，以及远离中子源的一个被称为长中子伽马场或数据集)。四多或双中子源测井工具和钻井系统的示意实施例将在下文参考图1、2、3和4-9更详细地论述。

具有多个探测器的多或双中子源可以提供关于岩层特性的有用信息。如这里进一步描述的，可以从由中子探测器获取的中子场测量获得岩层特性，中子探测器包括在测井工具中与中子源相距短和长距离处的热中子探测器和伽马探测器。

可以理解，实际上，中子源相互成一直线地被插入，与闪光灯中的电池类似。探测器也是成一直线的，并且因此，探测器不与每个源间隔相同的距离。探测器在物理上与源相距类似的距离，但是可以理解，这不是必要的。

图2是用于使用多或双中子源测井工具进行岩层测量的钻井系统的图。如所示出的，通过地壳钻探钻孔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。钻孔202由钻井系统206形成。

钻井系统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，钻井系统206代表典型的钻井系统，并且可以有多个特定钻井系统，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。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各种不同功能。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。可以由测量确定的岩层特性取决于在由包括进装置中的短和长传感器在采集场信息之后执行的分析，并且可以包括诸如密度、孔隙率、饱和度、钻孔井径的测量。传感器装置218被示出为具有双中子源222以及长中子探测器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以及热中子探测器或超热中子探测器。

在一个实施例中，四测井工具包括在中子源的一侧上的热中子探测器和在另一侧上的中子伽马探测器。图中所示的布局示出短中子相对于长中子在源的相对侧上，但其不意于被限制于此，如上所示出，热中子探测器可以在中子源的一侧上，中子伽马探测器在另一侧上。

传感器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值的存储和/或将测量值传送至地面。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的测量值的存储和/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。

图3是能够使用双中子源进行中子场测量的测井工具的图。测井工具900可以包含到钻柱中以在钻探的同时提供测量，或者可替换地可以简单地在钻探之后放置在井眼下以在操作或生产的各个阶段提供邻近井眼的岩层的表征。测井工具900包括外壳902或套管。外壳可以由铍铜制成，铍铜已经被确定具有非常好的伽马透射性质，同时仍保持用于井下工具外壳的所需机械性质，例如抵抗压力、温度和腐蚀。

测井工具900还包括用于将中子场发射至邻近井眼的岩层(多个岩层)中的双中子源908以及基于中子的探测器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。双中子源908利用首尾相接地连续放置的两个轴向排列的中子源。两个中子源可以用于在同时从源发射场时实现最佳中子干涉场。干涉场的角度可以被调节以提供比传统的单一中子源离探测器更近的最佳中子活动焦点。中子探测器910、912、914、916相对于双中子源908定位，以使得某些探测器更靠近双中子源，被称为短探测器，诸如探测器912和914探测器，而某些探测器更远离双中子源，被称为长探测器，诸如探测器910和916探测器。如所示出的，双中子源908和基于中子的探测器910、912、914、916从测井工具中心轴偏心布置，然而，可以使用任何合适的方位，只要可以进行短和长测量即可。关于短和长探测器的方位的进一步论述将在下文更详细地概述。

图4示出能够使用双中子源进行邻近井眼的岩层表征的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英寸的外径并且可以由铍铜制成，铍铜已经被确定具有非常好的伽马透射性质，同时仍保持用于井下工具外壳的所需机械性质，例如抵抗压力、温度和腐蚀。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钻孔(up-hole)温度传感器1004可以距离工具的上部钻孔端部6.25英寸。高伽马射线探测器1006和伽马射线探测器1008可以分别距离上部钻孔端部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钻孔端部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钻孔端部101英寸和110英寸。诸如包括镅铍源的中子源1016可以定位在距离上部钻孔端部121.7英寸处。短和长中子中子探测器1020、1022可以分别定位在距离上部钻孔端部136.2英寸和144.4英寸处。底部钻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钻孔端部172.8英寸处。应该理解，图4所示的测井工具意于提供部件的一种示意性配置。可以设想，多个部件可以被省略，改变它们在工具内的位置，包括与上部钻孔端部的距离，以及包括其他部件。

直到最近，假设双中子发射场几何形状是彼此相交的两个球体并且这是几何形状的延展。用于确认场几何形状的实验揭露了一种最佳场增强，其中两个球状场以增大场强度的方式相交。在测试室内的伽马场的绘制在图7中示出。一条线突出了增大的强度趋势。

在不希望被理论限制的情况下，人们相信增大的强度趋势由中子相互作用保持。中子相互作用可以基于粒子物理学。常见的模拟是台球效应。中子行进通过空间与其他粒子碰撞。当中子与具有比自身大得多的核的原子碰撞时，其偏离较大的核，而导致较大的核在方向上只有非常小的改变。当中子与具有与中子几乎相同的质量的氢原子碰撞时，发生有效的能量交换，并且根据入射角，氢原子和中子可以在交换后的方向上移动。如果中子与中子碰撞，发生更加有效的能量交换。人们认为在使用双中子源时该事件的可能性增加。该趋势线是支持(加性)相互作用的可能发生的点的连接。

一个简单的理论示例示出场相互作用的加性函数。通过使用在通过场球体的中心的平面上截取的表示单一中子源的场强的同心圆，场相互作用可以在图5中被示出。

如果将各个独立的源被放在一起，则场将交叉，创建如图6所示的干涉图样。

双中子源地球物理测量装置的一个好处包括聚焦中子流。这可以用于创建更高影响的区域，其更靠近传感器探测器，减小了从探测器到源间隔的距离。

应用包括使用不同的源强度来优先聚焦组合源的一侧。

已经确认小的2×3居里源组合对地球物理岩心数据提供出色的比较，并且不希望被理论限制，它们提供干涉图样的事实被认为是背后的原因。理论上，控制几何形状可以在针对不同应用的测量中产生有益效果。

实验数据

在受控环境中进行的测量确认同样的支持行干涉。实验在直径6英尺以及长度为7英尺的桶中进行。一根外径4¹/₂”的管被安装通过桶的中心。管超过桶的每个端部突出大约12”。管道的每个端部刻有螺纹，并且每个端部具有附接至顶侧的1/2”端口。改进的压力接头附接至每个螺纹端部以允许流体被引入管内，管具有包含中子源的装置。整个罐填充有具有盐度300ppm±50％的饮用水。在罐的顶部处的端口允许中子测量和中子伽马测量装置被插入以测量场响应。用于实验的桶在图9中示出。

利用在罐内轴向中心定位的两个中子源进行场测量，源活动间隔大约2”。所产生的伽马和中子场分别在图7和8中示出。

参考图8和热中子场绘图，管填充有淡水，并且桶填充有淡水。图上的单位是所测量的计数率的平方根。

双中子源地球物理测量装置的一个好处包括聚焦中子流。这可以用于产生较高的影响区域，其更靠近传感器探测器，减少了从探测器到源的间隔距离。

应用包括使用不同的源强度来优先聚焦组合源的一侧。

如在此通过引用包含的共同未决的申请(高林律师事务所(Gowlings)编号08922995US，题为“NeutronThrough-PipeMeasurements”)中概述的，已经进行研究以确定四中子测井工具的中子测量模型的性质。在该研究期间的观察得到以下结论：四中子测井工具的核特性可以利用粒子和场的物理性质表征。该认识导致四NN(中子中子)弦模型(quadNN(NeutronNeutron)stringmodel)的开发。

在不希望被理论束缚或以任何方式限制的情况下，非限制的四NN弦模型可以被如下说明。在任何基体中，中子在被捕获之前具有从中子源的最大行进距离。从源至最远捕获点的行进长度被认为可以由弦代替的直线，其一个点永久地固定在源处，另一点在捕获点处。然后，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。这可以通过将弦的两端固定在源处来表示。由于主要考虑可探测到的中子，因而弦的一端留在中子源处，弦的另一端放置在探测器处。如果追踪固定的弦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调查的体积被限定。调查的体积是四中子测井工具从其收集数据的体积。这样，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由调查的体积内的热化和中子捕获性质来控制。弦的长度直接与基体的热化和热中子横截面捕获区域性质有关。基体的热化性质将被称为热化指数，热中子横截面捕获区域性质将被称为捕获指数。

从理论的角度，NN弦模型是确定的，但是四中子测井工具还包括中子伽马(NG)部件。已进行研究以确定四中子测井工具的中子伽马测量模型的性质。最初，结论是NG模型本质上应当是球形的，因为伽马辐射的源起源于中子的捕获事件。测试揭露了伽马场在形状上与生成它的中子场类似，并且中子中子和中子伽马计数之间的对比确认了该关系。由于测量真实地是伽马测量，还已知的是伽马光子可以通过增大其行进通过的基体的密度来停止。然后，该关系定义了调查的椭球形体积，其焦距直接与基体的密度成正比。

基于以上模型获得以下测量。

由于两个调查场看起来具有相同的几何形状，因而可以使用组合的测量来确定岩层特性。为了确定孔隙率，使用以下观测方法。

探测器计数率的自然对数的图在图10中示出。钻孔和液体改变导致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。斜率改变可以通过Y-X或者以下公式计算：

Y-X＝lnLNG-lnLNN-(lnSNG-lnSNN)

这导致了四孔隙率(QTP)的导出。

四中子孔隙率(QuadNeutronPorosity)

待测量的重要岩层特性之一是孔隙率，并且四中子测井工具允许基于由四中子测井工具采集的场信息来表征孔隙率。研究了孔隙率对中子伽马和中子热中子的影响。结果表明中子伽马测井数据的孔隙率误差与热中子测井数据的孔隙率误差相反。创建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通过经验确定并且被钻头尺寸以及调查的体积中铁或高密度材料的量影响。图11的图示出QTPgain(A)与各种套管重量的关系。

改变钻头大小以及由此改变钻孔使得所计算的孔隙率发生偏移。以下在表1中列出的值是基于经验将A值取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，偏移孔隙率数据应当用于适当地设置偏移。

表1：基于钻头大小和套管直径的对于A和B的经验值

Csg	钻头	A	B
				41/2"	61/4"	65	-6
51/2"	77/8"	65	-9
				7"	83/4"	65	-12

四中子粘土(QuadNeutronClay)

粘土的存在可能引起孔隙率测量中的误差。在金刚石钻探的采矿孔中的研究导致四中子粘土计算的推导。该推导基于以下事实：大多数粘土包含铝以及铝可以在遇到中子流时变得有放射性。因此，增加的伽马活动可以与粘土有关。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是通过经验确定的系数。A、B、C和D的典型值分别是0.004、0、1.9和-1.5。绝对值的确定可以根据偏移岩心数据或本地地质体验来确定。

通过取绝对值，意味着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相对于QNC曲线绘制。参数A、B、C和D可以被调节直到QNC曲线具有与岩心数据的最佳拟合关系。为了进行该处理，B保持在0处，C和D被调节直到匹配该趋势，A被调节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)

确定液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。在1983年六月，Roke在SPWLA第24届AnnualLoggingSymposium(年度测井研讨会)上发表了题为“TheuseofMultipleThroughCasingPorosityLogstoQuantifyWaterSaturation”的论文。该论文基于根据由于液体改变引起的孔隙率误差来确定饱和度的概念。四中子液体(QNL)计算将中子热中子和中子伽马物理过程相结合来最大化孔隙率误差。该公式基于以下观测：液体改变导致图13中的NN和NG线偏移。这导致X+Y计算，其导致如下QNL计算：

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

其中，A和B被选择以创建QNL对QTP的最佳覆盖。将水的盐度的改变对32API油的影响在图12的图中示出，并且基于实验室测试数据。在图12的图中显示的公式可以用于基于给定的kppm盐度y来确定期望的孔隙率值x。

四中子液体曲线对密度改变敏感并且应当在饱和度计算中使用之前被校正。

双探测器中子(DualDetectorNeutron)

双探测器中子(DDN)用于在与以上描述的QTP曲线重叠时确定相对含氢指数。该计算与在工业中使用的基本中子孔隙率计算类似。为了整个过程的完整，在这里提出。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被选择以创建DDN对QTP的最佳覆盖。

饱和度

岩层和储油层评价的目标之一是确定含油饱和度。通常，确定含水饱和度为Sw后，油就被假设为1-Sw。实验室测试显示四中子数据的饱和度关系可以与线性关系近似。针对四中子的Sw计算被确定如下：

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

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)，以及QEL表示四有效液体孔隙率(QuadEffectiveLiquidPorosity)(无粘土)。QEP和QEL被确定如下：

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)(这里被称为QNC)，以及QL表示四液体孔隙率(QuadLiquidPorosity)(这里也被称为QNL)。

流体因子被确定为k＝1/(MaxPor*QLgain)。

其中，MaxPor＝WaterPor–OilPor，并且WaterPor被给定为：

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

OilPor被给定为：

OilPor＝0.1333*oilAPI+71

QLgain被确定为：

QLgain＝QNLA值/32.5

岩层因子以与工业标准Sw计算的阿尔奇(Archie)公式中的岩层因子相同的方式通过本地经验确定。在以上公式中使用的四液体曲线应该针对密度改变被校正。四液体曲线将在高致密材料中测出过低孔隙率，而在低致密材料中测出过高孔隙率。通常通过利用化学效应曲线或相对体积密度曲线和化学曲线之间的混合来进行校正。

辅助测量

假定四中子孔隙率被计算并被接受作为孔隙率，通过创建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。一旦关系被建立，可以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并详细说明。

相对体积密度(RelativeBulkDensity)

根据现有技术确定体积密度的一种方法利用被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。通过使用观测和经验方法，发现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，则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。

绝对体积密度可以在偏移或体积密度可用于校准的情况下被确定。

原子核井径(NuclearCaliper)

能够由四中子系统和方法进行的另一岩层评价是在管后面测量钻孔大小的能力。该方法再次通过利用四中子核模型、观测和经验方法来推导。结果是LNN探测器对附近井眼效应非常敏感并且因此钻孔大小的改变将影响所探测到的计数率。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。如本领域技术人员可以理解，原始SNN和LNN计数被转换成校准后的滤波值。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。间隔被选择以使得NC和CE的计算在低孔隙率方解石间隔创建可能最佳效应。

化学效应(ChemicalEffect)

获得化学效应曲线以测量岩层中的化学改变。通过观测和经验方法，该曲线被看到对碳氢化合物敏感并且随后用于提供对四中子液体曲线的校正。

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)

可能由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进行的工作，其中观察到水井流动速率可以与伽马射线水平有关。基本理论是良好的高度可运输性的放射性材料细粒变得在低能量沉积环境的泥浆中卡住。泥浆降低了岩层的渗透性，并且因此能够测量细粒将允许推断渗透性的能力。这些细粒的伽马能量水平被认为在80kev至180kev之间。为了隔离这些能量，使用两个伽马探测器。机械滤波器被设计为最小化该能量范围。滤波器被应用至一个探测器，并且另一探测器被保持无屏蔽。该测量被相互比较，并且在两个测量值接近时，所探测到的细粒的量减小，从而推断渗透性。与裸井SP测量的比较显示了精确的结果。该测量在钙化的砂层中是有限的，因为钙化不产生细粒的改变。然而，在这情况中，四孔隙率可以被看出减小，并且相对体积密度增大。

利用能量截止滤波器重现该屏蔽的尝试没有成功。原因是机械滤波器的透过率不是简单的线性能量滤波器，并且因此不能利用简单的能量截止来重现。从理论上讲，电子或软件滤波器可以被制造以重现用在滤波后伽马射线上的屏蔽，但在本文件撰写时还未实现。关于滤波器的设计的记录被包括为本专利申请的一部分。

与这里公开的方法、系统和测井工具相关联的一些优点是通过管执行准确的岩层评价。本发明的方法、系统和测井工具具有在其他技术不能识别的情况下识别油和气体的能力。另一优点是在水平井中获取数据更安全，因为通过管测量，减少了由于崩落和垮塌而在井中丢失放射性源的风险。如果井眼坍塌或坍陷，钻管被卡住，四中子工具可以从管道中取出。另一优点在于重新评价已有的套管井以及识别碳氢化合物和错过的找到油井机会。

可以理解，这里概述的理论是非限制性的并且发明人意图不被理论限制。包括比较分析的分析显示了该方法、系统和/或测井装置的精确性和实用性，而不需要被理论限制。

Claims (19)

1.一种用于采集用于评价邻近井眼的岩层的特性的数据的多中子源井下测井工具，所述测井工具包括：

多中子源，每个中子源被轴向排列以用于将中子场同时发射至所述岩层中；

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。

2.根据权利要求1所述的测井工具，其中，所述多中子源的中子源被连续地首尾相接地排列以用于将中子场同时发射至所述岩层中。

3.根据权利要求1或2所述的测井工具，其中，所述多中子源的中子源被配置为在同时从所述源发射场时提供最佳的中子干涉场。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测井工具，其中，所述短探测器和所述长探测器被定位为与所述多中子源相距一个最佳距离，以使得与所述短探测器相关联的误差基本抵消与所述长探测器相关联的误差。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的测井工具，其中，所述多中子源是双中子源。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的测井工具，还包括包含铍铜的外壳。

7.一种评价邻近井眼的岩层的特性的方法，包括：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至所述岩层中；

从发射至所述岩层中的中子场获得包括长中子中子(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；

将长数据与短数据组合以减小与待评价的特性相关联的误差。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：

优化用于探测LNN和LNG的长探测器相对于多中子源的间隔以及用于探测SNN和SNG的短探测器相对于所述多中子源的间隔以最小化与待评价的特性相关联的误差。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，同时将中子场发射至所述岩层中的步骤通过井眼套管。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，组合步骤包括将与所述长数据相关联的误差和与所述短数据相关联的误差抵消。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其中，所述特性是中子孔隙率(QTP)并根据以下公式来评价：

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

其中，A和B通过经验确定并且被钻头大小和调查的体积中高致密材料的量影响。

12.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其中，所述特性是中子粘土(QNC)并根据以下公式来评价：

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

其中，A、B、C和D是通过经验确定的系数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，A、B、C和D分别是0.004、0、1.9和-1.5。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述特性是中子液体(QNL)并且根据以下公式来评价：

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

其中，A和B被选择来创建QNL至QTP的最佳覆盖。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述特性是水的饱和度(Sw)并且根据以下公式来评价：

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

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被计算为：

QLgain＝QNLA值/32.5。

16.一种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：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至所述岩层中；

获得长中子中子(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来确定所述相对体积密度，

其中，LNNpor和LNGpor表示孔隙率转换后的计数。

17.一种通过井眼套管确定邻近井眼的岩层的原子核井径的方法，包括：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至所述岩层中；

获得长中子中子(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LNNpor来确定所述原子核井径，

其中，SNNpor和LNNpor表示孔隙率转换后的计数。

18.一种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：

从至少两个轴向排列的中子源同时将中子场发射至所述岩层中；

获得长中子伽马(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LNNpor和LNGpor；以及

通过从SNNpor减去LNGpor来确定所述化学效应，

其中，SNNpor和LNGpor表示孔隙率转换后的单个探测器计数。

19.一种用于评价邻近井眼的岩层的特性的系统，包括：

测井工具，用于井下使用来采集用于评价邻近井眼的岩层的特性的数据，所述测井工具包括：

多中子源，每个中子源被轴向排列以用于将相应的中子场同时发射至所述岩层中；

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组合以减小与待评价的特性相关联的误差。