CN1158541C - 测定地层密度的方法及仪器 - Google Patents

Abstract

测定井眼周围地层密度的仪器，象电缆测井仪和随钻测井仪，包括一个用于井眼内辐射地层的高能中子源和一个用于探测井眼内高能中子地层辐射产生的伽玛射线的探测仪。分析探测到的伽玛射线以测定地层的密度。

Description

测定地层密度的方法及仪器

此申请是申请系列号为08/307,894，申请日为1994年9月19日，题目为《基于加速器的随钻测井方法和设备》的续篇。

本发明涉及到对地下岩石结构的探测领域，尤其涉及到基于中子加速器的密度测定方法和仪器。在广义方面讲，它公开了电缆测井和随钻测井中的一些技术。

通过距中子源一段距离的中子源的衰减来测定井眼周围地下岩层孔隙度的方法在电缆测井中是一项公开的技术。超热中子测井仪对地层中氢的密度或浓度特别敏感。由于氢通常含于地层的流体中，所以氢的浓度与孔隙的数量即地层的孔隙度有关。然而对于一个给定的孔隙度，基岩密度的增加(保持同样的基岩化学成分)可引起超热中子探测器数率(例如从放射源到探测器间距60cm)减小。如果给定基岩的密度，若孔隙度增加，那么这种数率的变化则是沿同一方向的。故由探测器本身对中子孔隙度的测量并不能确切测定未知成分地层的孔隙度。

因此，在电缆测井中，对感兴趣地层的体积密度测定要使用另一种测量仪器，这种仪器基于康普顿电子γ射线散射原理，位于与中子孔隙度测量仪同一深度间隔上。基岩密度的增加也会引起密度测量仪检测器数率的减小。另一方面，如果对于给定基岩密度，孔隙度增加，那么密度测量仪的探测器数率也会增加。这样，基岩密度和孔隙度的变化已经影响了中子孔隙度和康普顿散射密度测量仪，并且对两种仪器的影响可通过两种仪器反应的交汇图得到补偿。通过这种交汇图，可揭示其物理本质，基岩密度和成分(岩性)的变化也可测定。由于基岩的气孔含有的气体也会影响中子孔隙度和密度测量仪的反应，所以在一定情况下利用中子密度交汇图测定气体的存在也是可能的。

然而，常规的体积密度测量需要伽玛射线源，有代表性的是¹³⁷CS同位素放射源。这种放射性的化学源从放射安全性的角度看有明显的缺点。这特别用于随钻测井，操作条件使得放射源很可能丢失，和电缆测井相比，放射源的回收要困难得多。的确，前面提及的随钻测井现有技术专利主要集中于防止化学源丢失，或者，如果化学源丢失，如何回收化学源方面。

虽然基于加速器的电缆孔隙度测量仪是公知技术，例如，阿尔伯特的美国专利4760252，但是，目前对于密度测井来说，还没有经济实用的基于加速器的用于密度测井的¹³⁷CS伽玛射线的替代品。因此，对于基于加速器的测量仪，非常需要一种不带有放射性化学源的常规体积密度测量仪。

本发明的方法和仪器包括安装在电缆测井仪或钻柱的钻铤上的一个高能(优先选用14Mev)中子加速器和至少一个伽玛射线探测器，探测器离加速器间有一定距离，用于测量地层周围中子辐照的射线和地层密度的读数。在一个最佳实施例中，该设备包括一个用于监视中子源通量的近程探测器，一个主要反映地层氢浓度的中程超热中子探测器和一个对地层密度作出反应的远程伽玛探测器。近程探测器的输出用于其它探测器源强度波动输出的标准。标准化的中程超热中子探测器输出和标准化的远程探测器输出是以一种与一般中子孔隙度密度交汇图概念上相似的方式结合，从而得到地层孔隙度、体积密度和岩性学和/或来探测气体。测量结果作为井眼深度和井眼内合适的方位角的一个函数。

近程探测器优先选用由中子减速吸收材料屏蔽的超热中子探测器，使其对原始地层中子不敏感。或者，包括一个Mev中子探测器，例如：高序数原子材料作屏蔽的⁴He探测器或液态闪烁中子探测器；中程超热中子探测器可以是具有近似远程探测组中的一个探测器组成。这组探测器包括沿钻铤内壁间隔排列的多个超热中子探测器，以提供增强的水平分辨能力。一个或多个伽玛射线探测器和/或热中子探测器也可包括在探测器组内。如果需要，这组探测器可垂直间隔排列以改善垂直分辨率。远程探测器优先选用伽玛射线探测仪，而且可包括一个高能(＞0.5Mev)中子探测器，例如⁴He或液体闪烁探测器；或者，也可使用远程伽玛射线和远程中子探测器。如果使用液体闪烁器，那么就可以探测中子流和伽玛射线了。

在随钻测器的情况中，中子加速器和近程探测器优先选用同轴线的并且偏心于钻铤的一侧以容纳钻铤另一侧的钻井液通道，为提高对地层的敏感度，探测器组优先选用偏心于钻铤内壁的位置，由井眼和传递中子的钻铤屏蔽。远程探测器最好与加速器和近程探测器同轴。同样地，远程探测器也需沿井眼和钻铤屏蔽中子流。为增加探测的深度和进一步增加对地层敏感度，中子透明窗最好与每个中子探测器相对。中子窗的结构包括一种低散射横截面材料。象硼或其它中子减速材料包皮的钛，以便减少钻铤的中子泄露。在中子窗位置开口的外部中子吸收层可用来进一步减少流入钻铤中的中子流。对于一种中子窗结构，用于钻铤内横向或纵向中子吸收材料层可减少沿纵向和/或沿圆周壁的中子流。

除前面提到的交汇图技术，中程探测器的输出和远程探测器的输出也分开处理，如果需要，可得到其他感兴趣的信息。例如孔隙度和间隙的测量可由超热中子探测器组产生的慢化时间曲线推导出来，地层化学组成信息可由伽玛射线探测器记录下来的伽玛射线能量光谱分析中得出。这样的光谱分析也可以由探测的伽玛射线的远程探测器的输出的基础上进行。热中子探测器的输出在测定地层宏观浮获截面和测量间隙时非常有用。热中子宏观浮获截面或与其相关的热中子衰变时间常数由伽玛射线探测器输出测定。这些附加的测量在解释基本交汇图图象方面是很有用的。

本发明所用伽玛射线由地层内中子核的相互作用产生，地层有效地扮演着与仪器内象化学源的初级放射源相对应的次级伽玛射线源。加速器产生的中子穿过井眼流体和仪器周围岩层。这些中子与组成仪器、井眼流体和地层、元素的原子核间相互作用的仪器内产生返回探测器的伽玛射线。伽玛射线可由非弹性散射或热中子俘获产生。任一种相互作用的伽玛射线都可用于密度测量所用的次级伽玛射线源。然而，地层内次级射线源的位置(深度)必须随地层性质的改变而保持不变，否则探测到的伽玛射线数目的变化将归于次级放射源位置的变化，而不是地层密度的变化。热中子贯穿地层的深度由地层热中子截面的大小决定。这极大地依赖于高吸收原子核如井眼液体中的氯和硼的浓度。因而，热中子俘获次级伽玛射线源的确定在很大程度上依赖于井眼流体或地层的热中子截面。另一方面，即便地层性质发生变化，通过快中子非弹性相互作用而产生的伽玛射线也会在同一区域(热点)产生。这种效应有两个原因。首先，大多数元素的快中子截面不同是两个原因之一，这使得地层/井眼总截面对成分的变化相对不敏感。其次，因为大多数沉积岩的主要组成元素含有氧而且对于不不同类型的岩石，氧含量变化很小，对于大多数沉积岩来说，快中子截面几乎是常数。这就保证了次级非弹性伽玛射线源的位置稳定不变。

次级伽玛射线源的强度决定于两个因素(不包括立体方位角作用)-中子衰减和氧原子浓度。辐射源辐射出的中子与仪器、井内和地层的原子核相互作用。吸收和下降散射成低能级都可使快中子衰减。由于大多数非弹性截面都有高能入口(例如几个Mev)，所以减少中子能量与减少伽玛射线产生的吸收作用是等效的。那么，次级伽玛射线源的强度在很大程度上(指数)依赖于可得到的高能中子的数量，从而产生非弹性伽玛射线。因此，利用这种原理的密度测量需要影响次级伽玛射线源强度的中子衰减的精确校正。此外，次级射线源的强度与用作次级伽射线源材料的原子浓度成正比例。因为地层是伽玛射线源，所以对于地层密度测量，氧的非弹性伽玛射线是优先选用的。至少有两个原因可以说明这一点的真实性。首先，因为氧是沉积岩中含量最多的元素成分，而且对于不同的岩石，氧浓度变化很小，所以对于密度测量只需很小的校正值。其次，氧辐射出几个高能级的非弹性伽玛射线，这些射线不需要比光谱重叠法更复杂的形式，而只通过简单的能量级的分辨就能容易地被识别出来。

中子衰减的效用可由反映负责产生非弹性伽玛射线次级放射源的快中子流的信号校正。这可由仪器内独立的快中子探测器完成，以提供一个快中子衰减的独立的监视器。更简单地，快中子衰减可利用中子与产生非弹性和超热中子俘获伽玛射线的仪器中不同成分相互作用的事实推导出来。例如，快中子与仪器内铁的相互作用产生非弹性伽玛射线，其强度以一种与中子激活的在氧-次级伽玛射线源内非弹性伽玛射线相似的方式变化。铁产生的伽玛射线在非弹性伽码射线光增内是十分突出的。而且，即使没有复杂的光谱分辨技术也容易使用。或者，超热中子与仪器内的晶体探测器相互作用产生一个与热中子间隙度的测量形式相似的信号。由于此晶体基质占总的非弹性伽玛射线光谱的50-90％，所以反映快中子流情况的校正信号便可很容易推导出来。这也可用于密度测量中子衰减的校正信号。

本发明参考附图作如下说明：

图1是依据本发明的随钻测井设备的一个实施例的原理图，部分以方框方框图示出并包括悬挂于旋转钻井平台上的钻柱。

图2是部分以原理图画出的井下测量部件实施例的垂直剖视图，包括中子加速器和相关的辐射探测器的部分垂直横剖示意图。

图3是沿图2中3-3线的水平横剖视图，用以说明近程探测器相对于钻铤的最佳位置。

图4是沿图2中4-4线的水平横剖视图，说明探测器和与之相联的与钻铤对应的中子窗的一种组合结构。

图5是局部水平横剖视图。说明另外一组超热中子探测器和有关的中子窗的另一种组合结构。

图6是另一种井下测量部件实施例的局部垂直横剖视图，说明中子窗的另一种实施例。

图7是沿图6中7-7线的外视图，说明图6中中子窗的外形。

图8是与图7相似，说明中子窗另一种实施例的外形。

图9是与本发明实施例对应的电缆测井仪的示意图。

图10为一些地层的氧原子密度对地层电子密度的曲线。

图11的图10所绘地层的氧元素数率对地层电子密度的曲线。

本发明特别适用于电缆测井与随钻测井。图1-8表明本发明随钻测井的一个实施例。

如图1所示，钻井平台和井架10布置在井筒12之口。钻柱14及其底部的钻头16悬挂于井筒内。转盘18与钻柱上端的方钻杆20相连接，带动钻柱14和钻头16旋转。钻柱悬挂在与游车(图中未标出)相连的大钩22上。方钻杆通过水龙头24与大钩相连接，水龙头24允许钻柱相对于大钩旋转，或者，钻柱14和钻头16也可由地面上的“顶部驱动”型钻机带动旋转。钻井液成钻井泥浆26可充满于井架10附近的泥浆池中。泵30通过水龙头24的一个孔将钻液泵入钻柱并通过钻柱的中心向下流动(如图中箭头32所示)，钻井液通过钻头16的孔排出钻柱，并沿钻柱外表面与中筒壁之间的环形空间向上流动，如图中箭头34所示。从而钻井液润滑钻头并将地层岩屑带到地面。钻井液在地面上流回泥浆池用于再循环。

由若干部件组成的底部钻具组合(参考数字36说明)安装于钻柱14内，紧挨钻头16，并包括测量、处理和存贮信息、与地面保持联系的部件。更重要的，是底部钻具组合位于钻头16的几个钻铤内，井底的安排情况如图1所示，稳定器钻铤接头紧靠钻头16，接着向上是稳定器钻铤接头42和另一个钻铤接头44。钻铤和钻杆接头的这种安放方式只是说明性的，其它的安放方式也可应用。是否有必要使用稳定器钻铤接头决定于钻井条件。在图1所示的实施例中，井下测量部件的组成部分位于稳定器钻铤接头38上部的钻铤接头40内。如果需要，这些组成部分或者距离钻头16更近或更远些，例如，安放于钻铤接头38或42内，或者是钻铤接头44内。底部钻具组合36还包括用于数据和控制与地面的联系的遥测装置(图中未示出)。

底部钻其组合36包括一般的采集和电子设备(图中表示)，电子设备包括微处理器系统(具有内存、时钟、定时电路和接口电路)能够使加速器与数据测量元件的操作同步进行，储存并处理来自测量元件的数据，保存数据处理结果，需要的数据可通过与遥测装置联接传送到地面。或者，将数据保存在井底，待起出钻柱后在地面取出数据。与此相对应的井底电路详见美国专利4,972,082和5,051,581。为实现测量元件、数据探测与处理部件和数据遥测装置电路连接和信号传递，最好将这几个部件在钻柱内联接紧密。如果不能满足这个要求，也可以应用前面提到的美国专利5,235,285的数字联络系统，这种系统能够用于短距离的井下联络也可用于井底与地面的联络。井下电子设备的动力由电池或由钻井液带动的涡轮式发电机提供。

井下测量装置的一个最佳实施例见图2-4所示，钻铤接头40包围着一个环状的不锈钢外壳54，钻铤可以是任何合适的尺寸，例如外径8英寸，内径5英寸。在外壳54内纵轴的一边，最好见图3、4，是用于通过钻柱向下运输钻井液的纵向延伸的泥浆通道56。偏向外壳54另一侧的是中子加速器58，有关的控制高电压电子元件包60和一个同轴线的近程近程探测器62。加速器优先选用D-T型(14Mev)的发射源，这是一种公知技术。

近程探测器62首先应该对最小地层影响的加速器输出作出反应。因此，探测器62应包括超热中子探测器。例如一个³He的正比例计数器，它的位置紧挨加速器而不会干扰高密度屏蔽。探测器62的敏感部分是由金属镉或者其他高热中子俘获横截面材料(图中未示出)作包皮，以提高检测阀的超热水平门限值。除了与加速器58相邻的面外，探测器62由屏蔽64包围，屏蔽64是由减速中子吸收材料共同制成的，例如硼碳化物(或其它1/V型吸收材料)，分布在环氧(或其它含氢的材料)胶结料(“B4CE”)中。这种近程³He探测器屏蔽的有关结构和功能方面的详细资料见美国专利4,760,252(此处可合并参考)。

另外，近程探测器62应是一个高能(Mev)探测器，象⁴He探测器，由钨、重金属或其它高原子序数材料做屏蔽护罩包围，既使探测器免受地层的影响，又使作用于探测器的大量非地层中子数目倍增。这种倍增作用是由于高原子序数(n、2n)和(n、3n)材料的大的横切面造成的，这些材料可将14Mev源中子转化为两至三个小于但接近6Mev的中子，而Mev的⁴He散射截面很大。因此，高原子序数屏蔽材料不仅可以减少对地层散射中心的近程探测器信号的敏感度，而且可以有效减弱源中子(14Mev)沿仪器的流动。

如下所述，如果远程中子探测器用B4CE(或减速吸收材料)作屏蔽护罩，那么当硼吸收的动力用于减少低能中子流时，B4CE中的衰减的氢能量就可用于进一步减少中子的能量。屏蔽材料的排列为高原子序数材料邻近中子源，接下来是B4CE或类似材料，这种顺序是很关键的。如果以相反的顺序排列，那么对屏蔽高能中子将会无能为力。

不管是eV探测器还是Mev探测器，探测能量、位置和近探测器屏蔽的结合效应都应该使探测器的输出对地层孔隙度不敏感，而与加速器产生的中子流基本成正比例。近程探测器62的输出可作为其它源强度波动的标准。

沿纵向与近程探测器62紧挨的是探测器组：66a、66b、66c和66d。每组至少包括一个，或最好两个以上的超热中子探测器和至少一个伽玛射线探测器。一个或多个热中子探测器应(根据情况)有选择地使用。如图4所示，有两个超热中子探测器66a和66b，一个热中子探测器66c和一个伽玛射线探测器66d。如果需要可使用不同数目或混合使用不同类型的探测器。

超热中子探测器66a、66b主要用于测量地层中超热中子通量，并充分接近中子源使所留间隙最小化或至少减少较重地层元素对探测器输出的影响，例如氧、硅、碳、钙等等，这些元素决定(地层)密度，并最大化或至少显著增加地层氢对探测器的影响。这样布置，使超热中子探测器的反应主要依赖于只具有残余岩性效应的含氢指数。为增加对地层的敏感度，超热探测器66a、66b可以是³He的正比例计数器，其最好贴近钻铤壁和后屏蔽。如图68a、68b所示，用以减少井底中子的敏感度。屏蔽材料最好与上述的近程探测器62的相连部分相同，例如镉包层和B4CE。下面充分说明为进一步增加探测器敏感度和进行更深处的探测，透明中子窗70a和70b最好设置在钻铤中。

如图4，超热中子探测器66a、66b和与之相联的中子窗70a、70b沿钻铤40的圆周分布，这样可增加方位分辨率。任何需要沿圆周分布的探测器均可使用。虽然图中66a、66b相对于加速器58在同一纵向间隔，但为增加垂直分辨率也可沿不同的纵向间隔布置多个探测器。沿圆周面和水平面探测器组的安排和每个探测器的结构、屏蔽的详细说明见美国专利4,760,252和4,972,082。如’082专利中所述，慢化时间测量的空间分辨率可使得本发明的慢化时间方位测量具有特殊的价值和意义。如专利4,760,252和4,972,082所述，中子源/探测器的间隔很显然适用于电缆测井仪。一因为探测器通过钻铤探测地层，某些较大的间隔也应用于随钻测井仪。

热中子探测器66c也同样是一个屏蔽的³He正比例计数器，就象68c一样，除了为提高探测器对地层热中子的敏感度而在地层一侧少了镉包皮以外，其它与超热中子探测器66a、66b非常相似。透明的中子窗70c在钻铤中与热中子探测器邻近。其它热中子探测器可按是否需要得到水平或垂直分辨率而配置。热中子探测器66c的输出信号可被处理为如美国专利4,760,252合并部分所述得到热中子间隙度值测量和/或依据公开过的美国专利5,235,185可得到地层的西格玛值和间隙值。

伽玛射线探测器应由适当形式的探测器组成，象NaI，BGO，CsI，蒽等等，但优先选用如美国专利4,647,781和4,883,956所要求的活化铯、钇、原硅酸盐。如那些公开的专利所言，GSO探测器优先由能减少热和超热中子对探测器的影响的硼所包围。金属钨或其它高密屏蔽材料应置于加速器58与GSO探测器66d之间，以减少作用于探测器的高能中子通量。

虽然没有说明，但也应该知道合适的计时和控制电路可用于操作加速器58的脉冲模式及探测器66d的门脉冲并可根据需要有选择地探测非弹性的或浮获的伽玛射线。能量探测器的测量范围一定要大，例如从0.1-11Mev。设置探测器66d的主要目的是提供非弹性和/或俘获的伽玛射线谱能量窗的计散率。能量光谱尤其可通过光谱分析得到关于探测地层元素组成的信息。

如美国专利5,440,118所描述：利用分析伽玛射线探测器66d的光谱数据的技术可得到岩性学和光谱学信息。简言之，非弹性散射伽玛射线光谱可通过分析最小面积光谱过程决定未知地层假定化学元素相应元素的比例并且为地层所测光谱提供依据。修正硅、钙和镁的相对非弹性屈服可提供各种元素的密度和体积比或混合岩石各种类型的体积比，例如地层中的砂岩、砾岩和白云石等。镁和钙的相对非弹性屈服值之比说明一个地层白云石化作用的程度。在硅和/或钙的校正非弹性屈服值的基础上，测得的热中子俘获伽玛射线光谱的自然屈服值的校正估计值也就确定了，从而推导出关于地层岩层学的更多信息。

超热中子慢化时间和仪器对井壁偏离间隙的测量可由热中子探测器66a、66b的输出值获得。因为目前在钻铤40和外壳54的大量钢材充当了长期中子接收器，所以66a、66b的超热中子减速时间的敏感度也大大减小。因此，随钻测量的超热中子慢化时间对正确确定66a、66b相对于钻铤40的位置，对于正确安装中子窗70a、70b，正确屏蔽探测器66a、66b都是很重要的。如图4所示，正如上面所注意到的，探测器66a、66b的敏感部分应该固定在外壳54上，并紧贴钻铤40内壁，而且正好对着各自的中子窗70a、70b。每个探测器优先在两端和除正对钻铤侧的其它侧面屏蔽。中子窗70a、70b优先选用以硼作护套的钛或其它高强度、低散射截面材料制成。为进一步减少进入钻铤40的中子数量，优先选用在探测器区域钻铤的外表面包上能与中子窗70a、70b的位置相匹配的带孔硼护套。模型和实验数据表明超热中子慢化时间曲线对这种定位、屏蔽、开窗口的探测器的敏感度比无窗的或外表面硼屏蔽的探测器要大。

又如图5所示，带有硼屏蔽76和与图4中孔相匹配的外表面硼护套72、探测器74置于钻铤40机体内以增加探测器敏感度，虽然这种组合是可行的，但在钻井时探测器却容易损坏，而且需要对钻铤机加工以作出探测器的容腔。又如图4所示，作为硼套层透明中子窗70a、70b的一种选择，采用超热中子探测器区域内钻铤的硼的横切面或其它高吸收作用切面材料，可以提高超热中子探测器66a、66b慢化时间和数率的敏感度。详细说明见图6-8。图6描绘了一个超热中子加速器78相对钻铤偏心并如图4中屏蔽的情况。将多个横切面硼皮层80嵌入钻铤壁，这些硼皮层扮演着“百叶窗”的角色：当沿钻铤的中子流受到阻挡时，允许中子横穿钻铤进入探测器。图7详细说明图6中硼层的外观形状。图8为硼层82的另外一个外观形状。这种形状用于在没有横向中子流干扰的情况下，使纵向和周围方向通过钻铤的中子流最小化。因此，硼皮80和82的基本功能就是作为超热或热中子探测器的中子窗。

如图6-8，中子吸收层的使用对于减少低散射横切材料中的中子流是非常重要的，象在随钻测井中作为钻铤材料的钛它对中子具有相对透明性，但因为它的密度小，不象铁一样，它不会减弱沿平行干钻铤方向或钻链周围传递的中子的分量。为提高中子窗的效果硼皮又可用于加速器侧面或中子加速器的两侧面的外壳54内。

再次参考图2中所有的测量部件图，一个还远程测器84位于探测器组66a-66d的下游，并带有中子屏蔽层86。探测器84和中子屏蔽86优先选用与加速器58同轴。依据本发明。远程探测器84是相对于中子源选择位置的，以使其对在地层中穿透力相对较强的Mev能量中子(成Mev中子诱发伽玛射线)敏感。和Kev-ev能是中子相比，由于Mev能量中子的传递会减小对含氢地层的敏感而会提高对较重地层元素的敏感度。探测器84受地层体积密度影响较大，这是因为密度和基体及地层岩性有密切的关系。

虽然只要有合格的数率统计和能量分辨率，任何象蒽、NaI、BGO、CsI等等型的探测器都可以使用，但是探测器84最好选用前面提到的美国专利4,647,782和4,883,956描述的GSO伽玛射线探测器构成。选用的能量探测器的范围是0.1Mev～11Mev。或者，使用对Mev范围(例如＞0.5Mev)的中子敏感的中子探测器。中子探测器最好选用⁴He型或液态闪烁器型的探测器。

如果在远程探测器84中使用伽玛射线，那么屏蔽86最好选用B4CE或中子慢化吸收材料制成。如果使用Mev中子探测器，则屏蔽86优先选用象钨这样的高原子序数材料制成。后一种情况下，屏蔽86也应该是B4CE或类似利用前面提及的包围近程探测器62的具有中子慢化作用的高原子序数材料。

虽然远程探测器84或是伽玛射线探测器或是Mev中子探测器，但伽玛射线探测器优先选用，因为伽玛射线在一些情况下对气体的灵敏度要比中子探测器好，因而也更容易识别含气地层。另外，如上所述的伽玛射线探测器66d，使用伽玛射线探测器可以通过光谱分析结果得到地层岩性和地层元素组成的信息。探测器66d和远程探测器84中至少有一个可进行这种光谱分析。两者之中的一个(或两个)探测器输出可另外用于热中子(∑)地层宏观俘获截面测量结果或相关地层热中子衰变时间(τ)的推导。任何用于推导∑或τ的公开技术都可应用。而且，只要远程探测器84是伽玛射线探测器，那么如果受空间或其他因素限制，伽玛射线探测器组可以省去不用。

如果需要，也可使用第二远程探测器，(图中未示)，但后者应该与探测器84同轴而且紧密联结。若84是伽玛射线探测器，则第二远程探测器优先选用中子探测器，反之亦然。

虽然没有特别说明，但上述探测器还应包括放大、脉冲波形、动力供给和其它需要产生输出信号探测伽玛射线的电路。所有这些电路在技术上都是公知技术。

设备内几个探测器的信息可用不同的方法处理，从而得到所需岩石物理信息。信息处理细节参看专利08/307,894。(在此结合一起参阅)

图9表明本发明实施例电缆测井仪的示意图。这种仪器和斯仑贝尔格的RST-B仪一样，它包括一个在通常方式下能通过井筒下放并测井的机体100，为保图面清晰而省略了电缆、遥测电子设备和地面设备。机体100内是前面已基本说明过的14MevD-T型加速器中子源110。被屏蔽区120隔开近、远程探测器130、140。每个探测器130，140包括一个闪烁晶体132，142例如象GSO(GBO或LSO如果合适的话)及光电倍增管134，144和输出传送到地面用于分析的信号电子设备包136，146。

伽玛探测器所做测量的换算法可根据以下公式分解，探测器对第二放射源的伽玛射线流的特性可写为：

$N_{\mathrm{ox}}={\mathrm{CN}}_S{e}^{-\mathrm{aXn}}{P}_{\mathrm{ox}}{e}^{-b{X}_{c-c}{X}_{\mathrm{pp}}}-----\left(1\right)$

式中C-修正常数，N_S-中子源强度，e^-aXn-快中子衰减率，P_ox-地层氧浓度，e^-bXc-cXpp-伽玛射线衰减率。

等式(1)假定探测器位置固定，并不包括固体角度效应。这些影响都已经包括在修正常数内。中子源强度N_S具有中子源(小型中子管)/第二中子源的中子输出能级。

快中子衰减依赖于快中子横切面Xn，此横切面由井底/地层周围环境的组成所决定。快中子截面是影响快中子传递包括弹性散射、非弹性散射和带电粒子加速内的各种反应的总和。所有这些中氢弹性散射是最重要的。以一种与测量热中子孔隙率非常相似但动态范围要小得多的的方式，快中子传递应该在很大程度上取决于井底/地层环境的慢化长度。因此，任何显示出这种相依性的探测信号都可用于密度测量的修正信号。这种修正信号可能是快中子、热中子探测器、RS发出的非弹性测量如非弹性铁或晶体的本底信号。

因为这种密度测量使用第二氧中子源的高能伽玛射线，因此探测γ射线的强度将决定于井底地层氧元素的浓度。通常，氧元素的浓度是未知的，但从图10中可看出，对于大多数含有沉积岩(砂岩、砾岩、白云石、绿泥石、硬石膏、黑云母岩、兰石英和金钢砂等已经给出曲线)的流体来说，氧的浓度可用一个简单线性关系表示出与岩石密度的关系：

P_ox＝d+eP_e                         (2)

d和e为常数，P_e为岩石的电子密度。

伽玛射线的衰减形式说明非弹性氧元素数率决定于康普顿散射和电子偶吸收作用。数率与康普顿(X_c)和电子偶(X_pp)截面成指数关系。电子偶截面由地层平均原子数(Z)所决定利用从低到高能量窗的比率，平均地层原子数(Z)可由非弹性伽玛射线光谱解释出来，以与测定标准密度/岩性学同样的方式测定地层的Pe值的，因此，Pe值的测量可以得出，并为所需产生电子偶的伽玛吸收等式(1)提供了一个校正估计值。

整理后，等式(1)可写成

N_ox＝Kp_oxe^-bXc                           (3)

K＝CN_se^-aXne^-cXpp                        (4)

等式包括校对常数、中子源强度、中子传递系数和产生电子偶的伽玛吸收系数。等式(2)的斜率小于1，其近似值为：

P_ox＝fe^gpe                               (5)

将(5)代入(3)，N_ox＝Ke^-bXcfe^gpe

康普顿散射截面xc与地层电子密度Pe成正比

Xc＝hP_e

那么，新的校正常数可确定为K_S＝Kf和i＝bh

于是

No_x＝K_se^-(i-g)Pe                         (6)

从等式(6)中可看出氧浓度的形式已经化简为等式(1)的密度关系，即只是用于减少非弹性伽玛射线密度测量的敏感度。

定义一个新的敏感度常数

        k＝i-g

我们得到N_ox＝K_se^-kpe                      (7)

或N_ox/K_s＝e^-kpe                           (8)

与化学源密度测定具有同样的反应等式。从等式(8)中我们知道，就是校正的氧计数率Nox/ks，显示出对电子密度而不是Nox的指数衰减关系。用等式(4)扩展等式(8)的左侧，我们得到：

N_ox/K_S＝N_ox/(CN_se^-aXne^-cXpp)              (9)

在此，氧的计数率由电子偶的产生、中子的传递、中子源强度和校正常数校正。通常，中子源强度不是常数，需要监控和校正。

蒙特卡洛模拟式可以用于验正等式(7)的正确性。在8.5″清水井眼中的6.5″LWD米尼特朗电子管模型用于计算从电子管、井眼和地层发射的伽玛射线的强度。每一种情况下的每一种元素的伽玛射线光谱与快中子光谱同时研究。快中子信号和已知的地层的平均原子序数Z用于计算每一种情况下的Ks值。每一地层的Nox/Ks对电子宽度Pe的对数曲线绘于图(2)中。

水和含气砂石、砾岩、白云石和粘土与蒸发度的计算结果见图11图形中清晰表明非弹性伽玛射线密度测量法可以代替化学源密度测量。没有落到反应曲线口的点仅仅是那些没有落到氧浓度与图10的地层电子密度关系曲线上的点。在这些情况下，尽管氧的密度很大，但与沉积岩中的流体相比，氧浓度是很低的。这就导致非弹性氧数率和人工的高密度读数较低。实际上，这些情况是可以识别的，应用光谱分析解决非弹性光谱的地层元素组成并利用这些信息指导蒸发岩或不满足等式(2)的其它类型地层的测井。

由于目前广泛使用的水基钻井液氧含量较高，所以由于井下环境的变化而得到的非弹性伽玛射线密度必须加以校正。进行进底校正的方式与化学源密度测量中的校正方式相似，这就是离中子源很近的包含次级探测器在内的仪器测定仪器间隙、粗糙度和井底冲蚀作用的方法。密度测井的校正值可通过利用两个探测器对射线径向敏感度差值图来获得。为得到更精确的校正值，有必要考虑泥浆成分的影响，这些信息通常是可以得到的。

Claims (17)

1.一种测定井眼周围地层密度的方法，包括：

(a)在井眼内用高能中子辐射地层；

(b)在井眼内用高能中子源探测伽玛射线源；

(c)分析探测到的伽玛射线测定地层密度；以及

(d)测定井内或地层的高能中子衰减，并利用测定的衰减分析探测到的伽玛射线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所说辐射地层的步骤包含辐射一个脉冲中子源。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所说探测伽玛射线的步骤包括探测地层中氧原子的高能中子非弹性散射产生的伽玛射线。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括伽玛射线的光谱测量和识别引起地层氧原子高能中子散射的伽玛射线。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所说光谱测量用于识别岩性，以修正地层密度的测定。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括测量中子源的中子输出，并用所测得的中子输出分析探测到的伽玛射线。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所说分析探测到的伽玛射线的步骤包括测定地层中氧原子浓度和测定氧的密度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括测定地层中电子密度指数，并在密度测定中利用这个指数。

9.一种测定井眼周围地下岩层密度的方法，包括：

a)通过辐射井底地层产生伽玛射线源，而在地层中产生一个位置基本不变的射线源，与地层性质无关；

b)探测井眼射线源辐射的伽玛射线；以及

c)分析探测到的伽玛射线，测定地层密度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所说射线源由高能中子辐射地层产生。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所说射线源由地层中氧元素的高能中子的非弹性散射产生。

12.一种测定井眼周围地下岩层密度的仪器，包括：

a)机体；

b)机体内用于井眼内辐射地层的高能中子源；

c)高能中子的地层辐射产生的伽玛射线探测器；

d)用于分析探测到的伽玛射线来测定地层密度的分析设备；以及

e)测定中子源中子输出的源监视器。

13.如权利要求12所述的仪器，其特征在于，所说高能中子源包括一个14Mev D-T型加速器源。

14.如权利要求12所述的仪器，其特征在于，所说探测器包括一个光谱伽玛射线探测器。

15.如权利要求14所述的仪器，其特征在于，所说用于分析探测到的伽玛射线的设备用于分析探测器的输出，以测定地层中氧原子产生的中子非弹性散射产生的伽玛射线。

16.如权利要求12所述的仪器，其特征在于，所说机体包括一个电缆测井仪。

17.如权利要求12所述的仪器，其特征在于，所说机体包括一个随钻测井仪。

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