CN115508901A - 核测井工具及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种核测井工具具有外壳、一个或多个中子源、一个或多个屏蔽件及围绕外壳设置的两个或更多个探测器。一个或多个中子源中的每一个被配置为以脉冲或连续方式产生中子，且两个或更多个探测器中的每一个可操作以探测中子和伽玛射线。两个或更多个探测器包括设置在与第一中子源相距第一距离处的第一探测器和设置在与第一中子源相距第二距离处的第二探测器。第一距离比第二距离短。第一距离和第二距离是在外壳的纵向方向上测量的。每个屏蔽件可操作以吸收中子和伽玛射线并设置在外壳内的一个或多个中子源中的一个与一个或更多个探测器中的一个之间。

Description

核测井工具及其应用
技术领域
本公开提供了用于核测井和地层评价的方法和系统，特别是用于核测井和数 据分析以获得地层参数的方法和系统。
背景技术
在油气勘探中，孔隙度、矿物学、密度和含气/含油饱和度是评价油气田中总 油气储量的重要地层参数。已经开发了各种电缆和LWD(随钻测井)测井工具 来测量井下地层参数。
地层密度是通过测量来自伽玛辐射源(例如，Cs-137源)的反散射伽玛射线 而获得，该反散射伽玛射线由布置在距伽玛射线源不同距离的两个探测器(例如， 两个碘化钠闪烁探测器)处接收到。这两个探测器通常根据它们与伽玛射线源的 相对距离而被称为近探测器和远探测器。
中子孔隙度测井工具通过测量在来自同位素中子源(例如，Am-Be源)的快 中子被工具周围环境(例如，井筒流体和地层)减慢速度并散射回探测器后的近 探测器与远探测器的中子计数率的比值来研究地层孔隙度。然后根据特定的地层 矿物学(例如，砂岩、石灰岩或白云石)将该比值转换为孔隙度。使用来自两个 探测器的计数率之比可减少近井筒环境(井筒流体、井眼尺寸等)的变化对孔隙 度测量的影响。
脉冲中子工具采用脉冲中子源(例如，D-T中子发生器或D-D中子发生器) 和一个、两个或三个检测中子或中子诱导伽玛射线的探测器。来自每个元素的中 子诱导伽玛射线的能量谱是独一无二的。因此，通过测量来自非弹性散射和/或中 子俘获反应的伽玛射线的能量谱，可以识别元素并获得来自地层中的每一种元素 的伽玛射线的相对百分比，即元素产额。非弹性能谱是碳-氧(C/O)比率测井的 基础，但也可以提供其他元素的信息，例如氢(H)、硅(Si)、钙(Ca)、铁 (Fe)、硫(S)和氯(Cl)。
由于元素产额测井仅提供元素的相对浓度，因此它们通常用比率来表示，例 如C/O、Cl/H、Si/(Si+Ca)、H/(Si+Ca)和Fe/(Si+Ca)。这些比率分别是油、 盐度、矿物学、孔隙度和粘土的指标。元素产额测井以及这些元素的中子非弹性 散射和中子俘获反应的反应截面也可用于获得地层中的元素浓度。
另外，通过测量在一个或多个中子脉冲后的热中子时间衰减曲线或俘获伽玛 射线时间衰减曲线，可以获得地层的宏观热中子吸收截面(sigma)，该截面可用 于估算含气/含油饱和度。
在大多数这些应用中，中子和伽玛射线由它们相应的探测器/传感器来探测。 例如，He-3气体探测器用于探测热中子。He-3同位素具有高的热中子吸收截面。 在从中子源发射的快中子被地层减慢速度并散射回探测器后，中子被吸收并产生 其他可检测的离子，例如质子(p)和氚(T)，从而使气体电离。离子和电子在 电场中倍增和漂移，以形成电信号。可采用各种闪烁探测器，例如NaI、CsI、BGO、 GSO、LaBr3、YAP闪烁体和光电倍增管(PMT)，用于探测伽玛射线。这些闪 烁体将伽玛射线的所积攒的能量转变为闪烁光。PMT将闪烁光转换为电子，并放 大它们以形成电子信号。
现有的核测井工具通常采用单功能探测器来探测中子或伽玛射线。例如，为 了同时获得地层密度和中子孔隙度，传统的方法是在工具串中将密度工具和中子 孔隙度工具组合在一起。密度工具可拥有一个伽玛射线源和两个伽玛射线探测器。 中子孔隙度工具可拥有一个中子源和两个中子探测器。因此，地层密度和中子孔 隙度的测量需要使用两个不同的辐射源和四个辐射探测器。为了获得例如含气饱 和度的其他参数，可能需要第三个探测器。此外，可能需要中子监测检测器来监 测中子发生器的源强度，因为源强度可随时间降低或波动。因此，核测井工具需 要携带多种不同类型的辐射源和探测器，以测量多种地层参数。这种测井工具由 于成本高、可靠性低和体积大而受到使用限制。
最近，已经开发出对中子和伽玛射线都敏感的闪烁体材料，例如：Cs2LiYCl6(CLYC)、Cs2LiLaBr6(CLLB)。通过将这种材料的晶体与闪烁光敏元件(如 PMT)耦合，可产生能探测中子和伽玛射线的双功能闪烁体。基于伽玛射线的电 子信号比中子的电子信号衰减得更快这一事实，双功能探测器所接收到的中子和 伽玛射线可使用脉冲形状甄别(PSD)技术相互区分。
需要减少辐射源和探测器的数量，同时提高通过测井工具在电缆或随钻测井 环境中所获得的地层参数的准确度和精确度。本公开提供了结合中子源和双功能 探测器的新测井工具，这为核测井、新测井工具、测量方法以及新数据处理方法 开辟了新领域。
发明内容
本发明以简化形式提供了一系列概念的介绍，这些概念在下面的详细描述中 进一步描述。它并不旨在识别权利要求的主题的关键特征或基本特征，也不旨在 用作已确定的权利要求的主题范围的帮助。
根据本公开的一个实施例，一种核测井工具具有外壳，一个或多个中子源， 一个或多个屏蔽件，以及围绕外壳设置的两个或更多个探测器。一个或多个中子 源中的每一个被设置为以脉冲或连续方式产生中子，并且两个或更多个探测器中 的每一个可操作以探测中子和伽玛射线。两个或更多个探测器包括设置在与第一 中子源相距第一距离处的第一探测器和设置在与第一中子源相距第二距离处的 第二探测器。第一距离短于第二距离。第一距离和第二距离是在外壳的纵向方向 上测量的。每个屏蔽件可以吸收中子和伽玛射线，并且设置在外壳内的一个或多 个中子源中的一个与一个或更多个探测器中的一个之间。
根据其他实施例，核测井工具中的一个或多个中子源独立地为氘-氚(D-T) 中子发生器、氘-氘(D-D)中子发生器或放射性同位素中子源。
根据一些实施例，核测井工具具有在外壳的纵向方向上与第一中子源相距第 三距离处而设置的第三探测器，并且第三距离大于第二距离。
根据另一实施例，两个或更多个探测器中的每一个具有由Cs2LiYCl6或Cs2LiLaBr6制成的闪烁体，并且可以探测中子和伽玛射线。
根据另外的实施例，核测井工具包含围绕外壳设置的第二中子源。第二中子 源在外壳的纵向方向上与第一中子源隔开。在一些实施例中，第一中子源为同位 素中子源，并且第二中子源为脉冲中子发生器，反之亦然。
根据此外的实施例，两个或更多个探测器设置在核测井工具中的第一中子源与第二中子源之间。
在另外其他实施例中，核测井工具包含至少两个探测器，它们设置在与第一 探测器距离大致相同的第一距离处或与第二探测器大致相同的第二距离处。
根据更多实施例，两个或更多个探测器中的至少两个安装在外壳周围的两个 不同径向方向上，并且当核测井工具部署在地下地层中时具有两个不同的方位角 方向。
此外，至少一个探测器定位在相对于测井工具的轴线的偏轴或居中位置。
在一些实施例中，屏蔽件由可吸收中子和伽玛射线的材料而制成。该材料可 以为钆(Gd)，钐(Sm)，硼化钨，含有Gd或Sm的合金，氧化物(如Gd2O3、 Sm2O3和B2O3)。
在一些实施例中，探测器具有容纳闪烁体晶体和电子器件的壳体。壳体的一 部分可以由屏蔽材料而制成，或者壳体的一部分可以被屏蔽材料覆盖，使得中子 和伽玛射线经过壳体的剩余部分到达闪烁体晶体。
本公开还提供了一种用于测量地层性质的方法。该方法包括将核测井工具部 署到地层中的步骤；使一个或多个中子源将中子发射到地层中；将通过两个或更 多个探测器所接收到的来自地层的中子和伽玛射线转换成电信号；分析电信号以 获得多个地层性质。
根据该方法的某些实施例，核测井工具具有设置在外壳周围的第二中子源。 第二中子源在外壳的纵向方向上与第一中子源隔开，并且一个或多个探测器设置 在第一中子源和第二中子源之间。
该方法可用于获得地层参数，该地层参数包括地层密度、地层孔隙度、含气 和含油饱和度，和/或地层元素浓度。
本公开还提供了一种井下钻井系统。该系统包括具有在其下部设置有井下钻 具组合(BHA)的钻柱、配置为将钻柱输送到井眼中的方钻杆驱动器、配置为旋 转钻柱的顶部驱动器和控制器。BHA具有设置在BHA的端部的钻头、井下马达 和被配置为测量地层性质和操作参数的测量短节。核测井工具安装在测量短节中。
本公开还提供了一种电缆测井工具，该电缆测井工具包括当前公开的核测井 工具和连接到地面上的一件设备(如电缆卡车)的电缆。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细描述，可以容易地理解本发明的教导。
图1A、图1B、图1C和图1D示出了核测井工具的四种示例性配置，该核测 井工具具有一个中子源(S1)和沿工具外壳的纵向方向设置的三个探测器(D1、 D2和D3)。
图2A、图2B和图2C示出了具有S1、D1、D2和D3的示例性核测井工具 的截面图。
图3A和图3B分别示出了具有四个探测器(D1、D2、D31、D32)和六个探 测器(D1、D21、D22、D31、D32和D33)的示例性核测井工具的截面图。
图4A是具有两个中子源(S1、S2)和两个探测器(D1、D2)的核测井工具 的一个实施例图；图4B和图4C分别提供了该实施例的示例性配置的截面图。
图5A是具有两个中子源(S1、S2)和四个探测器(D11、D12、D21、D22) 的核测井工具的另一个示例性实施例；图5B提供了该实施例的截面图。
图6是实施本公开的实施例的示例性钻井系统的框图。
图7示出了中子脉冲、中子计数率以及中子诱发伽玛射线的非弹性能谱和俘 获能谱的示意图。
图8示出了用于获得各种地层参数的示例性方法的流程图。
在整个附图和详细描述中，除非另有说明，相同的附图标记将被理解为指代 相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便起见，这些元件的相对大小和 描述可能会被夸大。
具体实施方式
所提供的以下具体实施例方式能帮助读者获得对本文所描述的方法、装置和 /或系统的全面理解。对于本公开的具体实施方式的参考，其示例在附图中示出。 相近或相似的附图标记可用于附图中并且可指示相近或相似的元件。
本文所述的特征可以以不同的形式体现，并且不应被解释为对本文所述的实 施例的限制。相反，已经提供的本文所描述的和附图中所描绘的实施例，使得本 公开将是详尽和完整的，并且将向本领域普通技术人员传达本公开的全部范围， 从而使他们可以容易地从以下描述中认识到：在不背离本公开的一般原理的情况 下存在替代实施例。
因此，本发明的范围不是由具体实施例方式来定义，而是由权利要求及其等 同物来定义，并且在权利要求及其等同物的范围内的所有变化都被解释为包含在 本公开中。
在本公开中，除非另有说明，否则探测器是指可以探测中子和伽玛射线的双 功能探测器。这种探测器采用闪烁晶体(例如Cs2LiYCl6(CLYC)或Cs2LiLaBr6 (CLLB))，以及相关的电子器件(例如PMT)。当探测器部署于井下时，可 对其进行主动冷却或非主动冷却。例如，使用CLLB和高温PMT的探测器可以 在高温下使用而无需额外冷却。
图1A-1D是圆柱形核测井工具200的四种示例性配置的示意图(未按比例)， 该圆柱形核测井工具200具有中子源(S1)和三个双功能探测器(D1、D2、D3)， 这三个探测器沿着适用于随钻测井(LWD)作业的测井工具的外壳而设置。泥浆 通道(MC)沿测井工具的轴线设置，而各探测器沿测井工具的纵向方向偏心设 置。图1A还示出了：高压电源(HV)；电子仪器(例如控制器)，其用于发送 指令、接收和处理来自中子源和各探测器的数据；以及用于在测井工具和地面之 间传输数据的遥测装置。高压电源为探测器(D1、D2、D3)和脉冲中子源(S1) 供电。为简单起见，所需要的电源、电子仪器和遥测装置未在图1B-1D中示出。
如图所示，D1是在纵向方向上与中子源具有最短距离的近探测器，D3是与 中子源具有最长纵向距离的远探测器，D2是纵向距离位于中间的中探测器。
如图1A所示，所有三个探测器都位于沿测井工具200的中子源的一侧。这 一侧可以是中子源的近位侧或远端侧。该近位侧是当核测井工具200被部署到井 下时更靠近地面的一侧，而该远端侧是远离地面的那一侧。高压电源为探测器(D1、 D2、D3)和脉冲中子源(S1)供电。来自各探测器的信号由电子仪器处理，通 过遥测装置来采集和传输测量/数据。如图1B、1C和1D所示，中子源的远端侧 和近位侧都具有至少一个设置在其上的探测器。
在电缆测井中，该工具可以安装在不包含泥浆通道的探头中。探测器可以沿 着或偏离工具本体的轴线安装。电力和控制信号也可以从地面提供给测井工具， 而来自测井工具的数据可以通过电缆传输到地面。
在图1A-1D中所描绘的每个测井工具中的中子源S1为脉冲中子发生器。然 而，也可以使用同位素中子源。脉冲中子源可为氘氚(D-T)脉冲中子发生器， 其可以在脉冲模式下以多种脉冲原理(例如，频率、脉冲持续时间)来运行。例 如，中子脉冲的频率可以是大约10kHz(周期为100μs)，并且中子脉冲的持续 时间可以是大约20μs。在另一个实施例中，中子脉冲的频率可以是大约1kHz(周 期为1000μs)，并且中子持续时间可以是50μs。根据方法和测量，D-T中子发生 器也可在连续模式下运行。在这种情况下，中子发生器的启动频率足够高，以使 得中子被连续发射。来自D-T中子发生器的中子具有约为14.1MeV的初始能量。
脉冲中子源也可以是氘-氘(D-D)脉冲中子发生器，其可以在脉冲模式下以 不同的脉冲原理(例如，频率、脉冲持续时间)来运行。例如，中子脉冲的频率 可以是大约20kHz(周期为50μs)，并且中子脉冲的持续时间可以是大约20μs。 或者，中子脉冲的频率可以是大约1kHz(周期为1000μs)，并且中子脉冲的持 续时间可以是40μs。根据方法和测量，D-D中子发生器也可以在连续模式下运行。 来自D-D中子发生器的中子具有约为2.5MeV的初始能量。
根据目标地层参数和测量方法，也可以用同位素中子源(例如：Am-Be、Pu-Be、 Cf-252)来代替脉冲中子源。来自这些同位素中子源的中子具有不同的能量谱。 例如，从Am-Be源所发射的中子的能量为从0MeV到大致10MeV，并具有约为 4.2MeV的平均能量。
在图1A-1D中的中子源S1和探测器D1、D2和D3仅标示出了它们沿工具 200的外壳的纵向方向的相对位置，而没有标示出它们在工具外壳的横截面中的 径向方向的位置。
在某些实施例中，S1、D1、D2和D3可以设置在相同的径向方向或不同的 径向方向，即，当部署在地层中时具有相同或不同的测量方位角。图2A、2B和 2C示出了在图1A-1D所示的A-A、B-B、C-C和D-D方向上的示例性截面图。 图2A中的S1、D1、D2和D3设置在相同的方位角。然而，在图2B中，S1、D1 和D3具有相同的方位角，而D2在不同的方位角处。在图2C中，S1和D1具有 相同的方位角，而D2和D3中的每一个具有不同的方位角。
测井工具的其他实施例可以具有多于三个的探测器。例如，图3A描绘了图 1中的测井工具的一种变型，其具有四个探测器即D1、D2、D31和D32。D31和 D32与S1的距离大致相同，但设置在两个不同的方位角。同样地，图3B描绘了 图1中的工具的另一个变型，其具有六个探测器即D1、D21、D22、D31、D32 和D33。在这个实施例中，D21和D22在测井工具的横截面上彼此相对设置，即 D21和D22的方位角分别为0°和180°。D31、D32、D33在测井工具的横截面 上间隔120°设置，即D31、D32和D33中任意两个的方位角之差为120°。具 有不同的方位角允许探测器优先接收来自地层的特定入射角的中子和伽玛射线。 该实施例还通过增加所有探测器的总计数率来提高中子和伽玛射线的探测效率。
另外，在图3A中，D31和D32与S1的距离基本相同。在图3B中，中探测 器D21和D22与S1的距离基本相同，而远探测器D31、D32和D33与S1的距 离基本相同。“基本相同的距离”是指从S1到探测器(例如：D31和D32)的 闪烁体中心的距离大致相同。例如，差异小于二分之一或四分之一英寸。通过这 种布局，作为一个整体的中探测器和作为一个整体的远探测器比当仅使用一个中 探测器或仅使用一个远探测器时具有更高的计数率。因此，中子发生器S1可以 是功率较小的源，其所受到的约束可以不如功率更大的中子源所受到的约束。此外，单个探测器的计数率可以分别地记录和处理。各种探测器在距离和方位角上 的差异可用于获得特定方位角方向上的地层信息。
在一些实施例中，测井工具200具有可以吸收中子和伽玛射线的多个屏蔽件 (未图示)。屏蔽件可以放置在测井工具中的中子源与各探测器之间，以便探测 器接收来自地层的中子和伽玛射线，而不是穿过测井工具本体的中子和伽玛射线。 或者，探测器也可以通过能够从某些方向吸收中子和伽玛射线的屏蔽材料而被部 分地屏蔽。
屏蔽件由一种或多种材料而制成或者包含一种或多种材料，这些材料可以有 效地衰减热中子和伽玛射线。屏蔽材料可以包含选自具有高热中子吸收截面的重 元素的材料，包括金属如钆(Gd)、钐(Sm)、金属氧化物(如Gd2O3、Sm2O3、 B2O3)、含有Gd或Sm结合其他重金属(如Fe、Pb或W)的合金，或含硼材料 (如硼化钨(WB、WB2等))。
屏蔽件可以是插入测井工具中的独立金属件，也可以是探测器壳体的整体组 成部分。例如，探测器壳体的向内朝向测井工具的部分可以由屏蔽材料来制成， 而朝向地层的部分由对中子和伽玛射线透明的材料来制成，以形成中子和伽玛射 线可以穿过的窗口。因此，来自某些入射角的中子和伽玛射线可被屏蔽材料所吸 收，而那些穿过窗口的中子和伽玛射线则被探测器所接收。因而，通过调整探测 器壳体中的窗口的大小和方向，探测器可以对某些入射角更加敏感。在作业过程 中，各种探测器所采集的数据可能会产生特定方向的地层性质，这可用于指导钻 井方向。
核测井工具可能具有不止一个中子源。图4A示出了具有两个中子源(S1、 S2)的测井工具的另一个实施例，一个中子源在近端，另一个中子源在远端，同 时两个探测器(D1和D2)布置在S1与S2之间。或者，根据工程考虑的需要， S1和S2可以串联布置，并布置在测井工具的一端的附近，而D1和D2串联布置 在测井工具的另一端的附近。在这两个实施例中，S1与D1之间的距离为d1，S1 与D2之间的距离为d2，S2与D2之间的距离为d3，而S2与D1之间的距离为d4。 当S1和S2都为脉冲中子发生器时，它们可以交替开启或关闭，从而交替地从地层中感应出中子和伽玛射线，以被D1和D2接收。由于存在四种不同的源到探测 器距离(d1-d4)，在D1和D2中生成的数据能比只有两个或三个源到探测器距离 的工具更好地补偿近井筒效应，例如井眼尺寸、工具间距、泥浆重量和/或盐度、 套管尺寸、水泥厚度等。最终，所获得的地层参数可以更准确。
图4B和图4C示出了该设计的两个示例性实施例，其中两个源和两个探测器 布置在相同的方位角或不同的方位角。如图4B所示，当源和探测器具有相同的 方位角时，测量覆盖了任何给定时间的地层中的相同扇区。如图4C所示，当源 和探测器具有不同的方位角时，在D1和D2中生成的数据反映了地层的不同扇区， 从而可以通过比较D1和D2的测量而揭示任何给定时间的不同地层扇区之间的差 异。
图5A和5B示出了具有四个探测器(D11、D12、D21、D22)和两个中子源 (S1和S2)的测井工具。需要注意的是，探测器对D11和D12(以及D21和 D22)设置在与S1或S2基本相同的距离处。如前所述，在特定距离处具有不止 一个探测器会增加在该距离处的计数率，因此可以使用功率较小的中子源。一个 远探测器的计数率可能太低而无法提供可靠的测量数据。通过使用两个或多个远 探测器，可以显著提高计数率，从而可以通过处理来自作为一个整体的多个远探 测器的数据来获得可靠的测量结果。
在一些实施例中，S1和S2可以同时开启或关闭。这样做会增加D1和D2的 计数率，从而降低统计测量的不确定性。
在又一个实施例中，S1和S2都为同位素中子源。与脉冲中子源相比，同位 素中子源不需要电源，使得测井工具更加紧凑。此外，同位素中子源具有更长的 寿命，并且更可靠。例如，同位素Am-Be中子源具有432年的半衰期，比具有 500小时到4000小时的中子发生器的平均管寿命要长得多。
在再一个实施例中，S1和S2可以是两种不同类型的中子源。例如，S1可以 是D-T中子发生器，而S2可以是Am-Be中子源。在现场中，可以关闭D-T中子 发生器，让Am-Be中子源自行工作以实施中子孔隙度测井。或者，可以从测井工 具中取出Am-Be中子源，以便D-T中子发生器独自将中子脉冲发射到周围地层 中。在这种情况下，可以使用D-T中子发生器获得中子孔隙度测井以及其他测量 值(密度、油气饱和度等)。
使用Am-Be源和D-T源所获得的孔隙度测井略有不同。通过比较使用两种 不同的中子源所获得的针对同一口井的这些孔隙度测井，可以得到这两种测井之 间的相关性。由于历史上孔隙度测井主要是使用同位素中子源而获得的，这种相 关性会有助于更新过去的孔隙度测井，使其与使用脉冲中子源而获得的新测井具 有可比性。同样地，新的脉冲中子孔隙度测井可以转变为过去的孔隙度测井，以 在产量预测中持续应用使用过去的测井已经构建的储层模型。
测井工具200可以是电缆测井工具的一部分，或者是被包括在井下装备中作 为钻井作业中的LWD测井工具。图6是在井眼16的定向钻井中应用的石油钻井 系统10的示意图。石油钻井系统10可用于在陆地上以及在水下钻探。使用包括 井架12、钻台14、绞车18、游车20、吊钩22、旋转接头24、方钻杆接头26和 转台28的旋转钻机来在地层中钻出井眼16。钻柱100包括串联连接并固定到地 面处的方钻杆接头26的底部上的多个钻杆。转台28用于旋转整个钻柱100，而 绞车18用于将钻柱100下入到井眼16中，并施加可控的轴向压缩载荷。井下钻 具组合150设置在钻柱100的远端。
钻井液(也称为泥浆)通常储存在泥浆坑或泥浆罐46中，并使用泥浆泵38 输送，泥浆泵38迫使钻井液流过浪涌抑制器40，然后流过方钻杆软管42，并流 过旋转接头24，从而进入钻柱100的顶部。钻井液以每分钟约150加仑至每分钟 约600加仑的速度流过钻柱100，并流入井下钻具组合150。然后，钻井液通过 在钻柱100的外表面与井眼16之间的环形空间而返回地面。当钻井液到达地面 时，通过泥浆回流管线44输送回到泥浆罐46。
保持钻井液循环所需的压力通过方钻杆软管42上的压敏传感器48来测量。 压敏传感器检测通过由脉冲发生器所产生的压力脉冲而引起的压力变化。来自脉 冲发生器的压力波的幅度可达到500psi或更高。所测量的压力作为电信号通过传 感器电缆50传输到地面计算机52，地面计算机52解码并显示所传输的信息。或 者，所测量的压力作为电信号通过传感器电缆50传输到解码器，该解码器解码 电信号并将所解码的信号传输到地面计算机52，地面计算机52在显示屏上显示 数据。
如上所述，钻柱100的下部(“远端部分”)包括井下钻具组合(BHA)150， 其包括其中安装有MWD系统(MWD装备或MWD工具)160的非磁性钻铤、 包含有LWD仪器的随钻测井(LWD)仪器短节165、井下马达170、近钻头测 量短节175和具有钻孔喷嘴(未图示)的钻头180。钻井液流过钻柱100并通过 钻头180的钻孔喷嘴流出。在钻井作业期间，钻井系统10可以旋转模式运行， 其中，钻柱100通过转台28或游车20中的电动机(即顶部驱动器)从地面旋转。 钻井系统10也可以滑动模式运行，其中，钻柱100不从地面旋转，而是由井下 马达170来驱动钻头180旋转。钻井液通过钻柱100从地面泵送到钻头180，被 注入到在钻柱100与井眼16的壁之间的环形空间中。钻井液将岩屑从井眼16携 带到地面。
在一个或多个实施例中，MWD系统160可以包括脉冲发生器短节、脉冲发 生器驱动短节、电池短节、中央存储单元、主板、电源短节、定向模块短节和其 他传感器板。在一些实施例中，这些设备中的一些可以位于BHA150的其他区域 中。脉冲发生器短节和脉冲发生器驱动短节中的一个或多个可与脉冲发生器300 通信，脉冲发生器300可位于MWD系统160的下方。MWD系统160可将数据 传输到脉冲发生器300，使得脉冲发生器300产生压力脉冲。
非磁性钻铤容纳有MWD系统160，其包括用于测量倾角、方位角、井轨迹 (井眼轨迹)等的一套仪器。核测井工具200和相关的电子部件可以位于LWD 仪器短节165中。核测井工具200和其他测井仪器可以电耦合或无线耦合在一起， 通过电池组或由钻井液驱动的发电机来供电。所收集的所有信息以由脉冲发生器 300产生的压力脉冲的形式经过钻柱中的泥浆柱来被传输到地面。
近钻头测量短节175可以设置在井下马达170与钻头180之间。核测井工具 200可替代式地安装在近钻头测量短节175中，以提供更准确的实时地层参数来 指导定向钻井。数据可以通过嵌入在井下马达170中的电缆传输到井下钻具组合 150中的MWD系统160。
在本公开的一个实施例中，使用具有D-T中子发生器和三个双功能探测器的 测井工具来获得多种地层参数。图7示出了中子脉冲、中子计数率以及中子诱发 伽玛射线的非弹性能谱和俘获能谱的示意图。中子脉冲的频率为10kHz(周期为 100μs)，中子工作时间为20μs，如图7中的子图(b)所示。
三个探测器中的每一个所测量的中子计数率如图7中的子图(a)所示，用于 获得地层孔隙度。三个探测器的中子可以根据中子脉冲是开启还是关闭来进一步 分离，从而作为三个探测器的中子的符合或反符合信号，以便在中子脉冲(中子 脉冲为开启)期间将中子主要记录为快中子。在中子脉冲之间(中子脉冲为关闭)， 中子被记录为热中子。三个探测器记录的快中子和热中子可用于获得快中子空间 分布和热中子空间分布。来自每个探测器的中子也可以被一起记录。在这种情况 下，所有中子(从热中子到快中子)都用于获得中子空间分布。
来自三个探测器的伽玛射线可以根据中子脉冲是开启还是关闭来进一步分 离，从而作为对来自三个探测器的伽玛射线的符合或反符合信号，以便在中子脉 冲期间(中子脉冲为开启)将伽玛射线主要记录为非弹性能谱，如图7中的子图 (c)所示。在中子脉冲之间(中子脉冲为关闭)，伽玛射线被记录为俘获能谱， 如图7中的子图(d)所示。选择合适的时间窗口，以便使在俘获时间窗口中所 测量的伽玛射线都来自热中子俘获反应，并且在非弹性时间窗口中所测量的大多 数伽玛射线都来自快中子非弹性散射。
探测器的本底可以在中子发生器关闭一段时间后测量，并且可以从中子或伽 玛射线的总信号中减去。可以通过使用在中子脉冲之间所测量的中子的一小部分 来进一步减去在中子脉冲期间所测量的中子本底，以获得“纯”快中子。类似地， 可以通过使用在中子脉冲之间所测量的俘获能谱的一小部分来进一步减去在中 子脉冲期间所测量的俘获伽玛射线，以获得“纯”非弹性能谱。
由每个探测器所探测到的伽玛射线也可以记录在一个能量谱中(例如，总能 量谱)，无论它们是由中子非弹性散射还是中子俘获反应所引发的。这样，诸如 地层孔隙度、元素浓度、地层油气饱和度等几种地层测量是可行的，但可能无法 获得地层密度，这是因为对于基于DT脉冲中子发生器的测量系统来说，需要非 弹性伽玛射线的能谱才能获得地层密度。
图8是用来展示对来自测井工具200的数据进行处理的步骤的示例性工作流 程，该测井工具200具有一个D-T中子发生器和三个探测器，即近探测器、中探 测器和远探测器。首先，使用脉冲形状甄别(PSD)技术来区分来自三个探测器 的中子和中子诱发伽玛射线的信号。然后，利用来自三个探测器的中子信号来获 得总计数率(CRNn、CRNm、CRNf)、快中子计数率(CRFNn、CRFNm、CRFNf)、 热中子计数率(CRTNn、CRTNm、CRTNf)，并基于它们且使用三个比值(Rnm/f、 Rnn/f、Rnn/m)和快中子分布(例如：Rfnm/f、Rfnn/f、Rfnn/m)和热中子分布(例如：Rtnm/f、Rtnn/f、Rtnn/m)来获得中子孔隙度。
快中子空间分布和热中子空间分布可用于使用非弹性谱和俘获能谱来计算 地层元素浓度。它们还可用于获得更准确的油气饱和度。下面提供了用于获得地 层孔隙度、密度、元素浓度以及含气和含油饱和度的示例。
如图8所示，利用来自近探测器、中探测器和远探测器(在中子脉冲期间和 中子脉冲之间所测量的中子(CRN)计数率(CRNn、CRNm、CRNf)，通过使用 计数率的比值来获得地层孔隙度(Φ)。
通过公式1、2和3分别获得远中比值(Rnm/f)、远近比值(Rnn/f)和中近 比值(Rnn/m)。由于三个探测器被设置在与中子源的不同距离处，因此它们具有 不同的探测深度。因此，近井筒环境(如井眼流体、水泥等)对这三个比值有不 同的影响。Rnm/f对地层更敏感，Rnn/m对近井筒变化更敏感，Rnn/f对地层和近井 筒变化两者都敏感。
Figure BDA0003666215230000131
Figure BDA0003666215230000132
Figure BDA0003666215230000133
地层孔隙度Φn可如下获得：先用Rnn/m和/或Rnn/f校正Rnm/f，再用校正后的 远中比值Rncm/f，以得到特定地层(例如砂岩、石灰岩或白云岩)的地层孔隙度。 公式(4)-(6)说明了该算法，ΔR为校正值。
Rncm/f＝Rnm/f+ΔR (4)
ΔR＝f1(Rnm/f，Rnn/f，Rnn/m) (5)
Φn＝f2(Rncm/f) (6)
根据类似于公式1-6中描述的算法，也可以使用由三个探测器所获得的俘获 伽玛射线计数率的三个计数率的比值来获得地层孔隙度Φn。
地层孔隙度Φn也可以通过中子和俘获伽玛射线分别获得的两种孔隙度相结 合而得到。或者使用其他方法从中子的三个比值和俘获伽玛射线的三个比值中直 接获得。
矿物学测量可以通过使用相同的工具来测量来自中子非弹性散射和中子俘 获反应的伽玛射线的能量谱而获得。
由每个探测器所探测到的伽玛射线可以记录在两个单独的能谱(非弹性能谱 和俘获能谱)中，也可以记录在一个能谱(总能谱)中。在任一情况下，元素都 可以被识别出来，可以从这些元素中获得特征伽玛射线的相对产额，以及元素浓 度。
由于测井工具200中的三个探测器在三个不同位置同时探测中子和伽玛射线， 因此可使用来自三个探测器的中子计数率来获得更精确的中子空间分布(快中子 空间分布和热中子空间分布)。然后，所测量的中子空间分布用来获得更准确的 元素(例如：C、O、H、Cl、Si等)浓度的计算。
在通过从近探测器获得的总初始非弹性伽玛射线计数率(CRINn)来补偿CRBSm和CRBSf后，来自中探测器和远探测器的后向散射非弹性伽玛射线计数率(CRBSm、CRBSf)可用于获得视中密度(ρam)和视远密度(ρaf)，例如根据公式7和8。然后，两个视密度可用于获得真实的地层密度(ρt)，使用公式9和10作为示例。
Figure RE-GDA0003938581610000141
Figure RE-GDA0003938581610000142
ρt＝ρaf+Δρ (9)
Δρ＝f(ρam，ρaf) (10)
αm，βm，αf，βf分别为中探测器和远探测器的校准参数。
地层含气饱和度测量值也可以使用测井工具200来获得。从工具中的中子源所发射的快中子通过地层来迅速减慢为热中子。氢在减慢快中子方面是最有效的。一些热中子被地层元素俘获并发出俘获伽玛射线。热中子和俘获伽玛射线都可被散射回到三个探测器并被探测到。
探测器的计数率高度依赖于井下地层孔隙，这些孔隙被气体、油、水或它们的混合物充满。所有孔隙都富含氢。虽然水和油具有大致相同的氢原子密度，但气体具有低得多的氢原子密度。因此，探测器离中子源越远，探测器对气体饱和度的变化就越敏感。当气体饱和度增加时，会有更多的热中子，并在探测器处有更多的俘获伽玛射线。并且，热中子或俘获伽玛射线的增加在远探测器中比在近探测器中更多。因此，利用来自近探测器和远探测器的热中子计数率(Rtnn/f)或俘获伽玛射线计数率(Rgn/f)的比值，连同地层孔隙度(Φ)，可以得到地层含 气饱和度。
由于工具200中的近探测器和远探测器都可探测到热中子和俘获伽玛射线并将其分离，因此可以获得在两个探测器处的热中子计数率(Rtn)的比值，以及在两个探测器处的俘获伽玛射线(Rg)的计数率的比值。从它们中可以得到两个视气体饱和度，即来自热中子的Sgn和来自俘获伽玛射线的Sgg，由此独立获得真实气体饱和度Sg。真实气体饱和度是关于Sgn和Sgg的函数。获得地层气饱和度的 示例性算法概括在公式11到公式13中。
Sgn＝f1(Rtnn/f，Φ) (11)
Sgg＝f2(Rgn/f，Φ) (12)
Sg＝f3(Sgn，Sgg) (13)
含油饱和度也可以使用来自地层中的碳和氧(C/O比)的快中子非弹性伽玛射线的计数率的比值而获得。伽玛射线在碳和氧上形成的快中子非弹性散射可以通过从非弹性能谱或总能谱中拟合和剥离出伽玛射线能谱而获得。中子源可以是以脉冲模式或连续模式运行的D-T中子发生器，也可以是同位素中子源(例如： Am-Be、Pu-Be、Cf-252等)。
从三个探测器(Son、Som、Sof)计算视含油饱和度的示例性算法分别使用公式14到公式16示出。视含油饱和度可用于使用公式17来获得已校正的含油饱 和度(So)。
Son＝f1(Rgn，c/o，Φ) (14)
Som＝f2(Rgm，c/o，Φ) (15)
Sof＝f3(Rgf，c/o，Φ) (16)
So＝f4(Son，Som，Sof) (17)
修正后的含油饱和度也可以通过使用C/O比值(Rgn，c/o、Rgm，c/o、Rgf，c/o)、地层孔隙度(Φ)和来自三个导向器的快中子空间分布(Rfnm/f、Rfnn/f、Rfnn/m)来得到，如公式所示：
So＝f5(Rgn，c/o，Rgm，c/o，Rgf，c/o，Φ，Rfnm/f，Rfnn/f，Rfnn/m) (18)
尽管在上述说明书中已经结合其某些优选实施例描述了本公开，并且出于说 明的目的已经阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员显而易见的是，本公开 易于改变并且在不背离本公开的基本原理的情况下，本文所描述的某些其他细节 可以有很大变化。此外，应当被理解的是，在本文任一实施例中所示出的或所描 述的结构特征或方法也可用于其他实施例中。

Claims (20)

1.一种核测井工具，包括：
外壳，一个或多个中子源，一个或多个屏蔽件，以及围绕所述外壳设置的两个或更多个探测器，
其中，所述一个或多个中子源中的每一个被配置为以脉冲或连续方式产生中子，并且所述两个或更多个探测器中的每一个可操作以探测中子和伽玛射线，
所述两个或更多个探测器包括设置在与第一中子源相距第一距离处的第一探测器和设置在与所述第一中子源相距第二距离处的第二探测器，其中，所述第一距离短于所述第二距离，所述第一距离和所述第二距离中的每一个都在所述外壳的纵向方向上，以及，
每个屏蔽件可操作以吸收中子和伽玛射线，并且设置在所述外壳内的所述一个或多个中子源中的一个与所述一个或更多个探测器中的一个之间。
2.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述一个或多个中子源中的每一个独立地为氘-氚(D-T)中子发生器、氘-氘(D-D)中子发生器或放射性同位素中子源。
3.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述核测井工具还包括第三探测器，所述第三探测器位于在所述外壳的纵向方向上与所述第一中子源相距第三距离处，并且所述第三距离长于所述第二距离。
4.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述两个或更多个探测器中的每一个包括由Cs2LiYCl6或Cs2LiLaBr6制成的闪烁体。
5.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述核测井工具还包括围绕所述外壳设置的第二中子源，其中，所述第二中子源在所述外壳的纵向方向上与所述第一中子源隔开。
6.根据权利要求5所述的核测井工具，其特征在于，所述两个或更多个探测器设置在所述第一中子源与所述第二中子源之间。
7.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述核测井工具还包括设置在与所述第一探测器大致相距所述第一距离处或与所述第二探测器大致相距所述第二距离处的两个或更多个探测器。
8.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述一个或多个中子源包括同位素中子源和脉冲中子发生器。
9.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述两个或更多个探测器中的至少两个安装在所述外壳周围的不同径向方向上，并且当所述核测井工具部署在地下地层中时具有不同的方位角。
10.根据权利要求9所述的核测井工具，其特征在于，所述两个或更多个探测器中的至少一个位于所述测井工具的轴上或偏轴位置。
11.根据权利要求1所述的核测井工具，其特征在于，所述屏蔽件由选自钆(Gd)，钐(Sm)，硼化钨，含有Gd的合金，含有Sm、Gd2O3、Sm2O3、B2O3的合金及其混合物的材料而制成。
12.根据权利要求11所述的核测井工具，其特征在于，所述两个或更多个探测器中的至少一个的壳体的一部分由所述屏蔽材料而制成。
13.一种用于测量地层性质的方法，包括：
将如权利要求1所述的核测井工具部署到地层中；
使所述一个或多个中子源将中子发射到地层中；
将通过所述两个或更多个探测器所接收到的来自地层的中子和伽玛射线转换成电信号；和
分析电信号以获得多个地层性质。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述核测井工具包括设置在所述外壳周围的第二中子源，其中，所述第二中子源在所述外壳的纵向方向上与所述第一中子源隔开，并且所述一个或多个探测器设置在所述第一中子源与所述第二中子源之间。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个地层性质包括地层密度、地层孔隙度、含气和含油饱和度，和/或地层元素浓度。
16.一种井下钻井系统，包括：
钻柱，其下部设置有井下钻具组合(BHA)；
方钻杆驱动器，其配置为将所述钻柱输送到井眼中；
顶部驱动器，其配置为旋转所述钻柱；和
控制器，
其中，所述BHA包括设置在所述BHA的端部的钻头、井下马达和被配置为测量地层性质和操作参数的测量短节，其中，所述测量短节包括如权利要求1所述的核测井工具。
17.根据权利要求16所述的钻井系统，其特征在于，所述核测井工具包括在所述外壳周围设置的第二中子源，其中，所述第二中子源在所述外壳的纵向方向上与所述第一中子源隔开，并且，所述一个或多个探测器设置在所述第一中子源和所述第二中子源之间设置。
18.根据权利要求16所述的钻井系统，其特征在于，在所述核测井工具中的所述一个或多个中子源中的每一个独立地为氘-氚(D-T)中子发生器、氘-氘(D-D)中子发生器或放射性同位素中子源。
19.一种电缆测井工具，包括连接到电缆的如权利要求1所述的核测井工具。
20.根据权利要求19所述的电缆测井工具，其特征在于，所述核测井工具包括设置在所述外壳周围的第二中子源，其中，所述第二中子源在所述外壳的纵向方向上与所述第一中子源隔开，并且所述一个或多个探测器在所述第一中子源与所述第二中子源之间设置。
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