CN1777737A - 欠平衡钻探时测地岩层所产水的存在和深度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在欠平衡钻探环境中确定井下参数的方法和设备，其包括：当在欠平衡钻探时，选择性地激活从地岩层流过井筒的第一流体；检测所激活的第一流体；和确定所述流体进入井筒的深度。

Description

欠平衡钻探时测地岩层所产水的存在和深度的方法和设备
背景技术
在钻井时或在新钻的孔中测量地岩层特性，以预测在地岩层中石油、气体和水的存在。这些地岩层特性可以用有线工具、随钻测井(LWD)工具或随钻测量(MWD)工具来记录。测量通常开孔进行，由于井筒装有超过井底压力的静压力的流体，从而地岩层不产生任何流体到井筒中。因此，在这种情况下，井筒流体测量通常不含有关地岩层流体的信息。
地岩层特性的开孔测量可以认为是静态的，因为没有地岩层流体运动，可以用于推断在开采井时的地岩层的动态特性。当开采井时，井筒中的压力小于井底压力。当通过称为欠平衡钻探(Under Balanced Drilling)或UBD新技术时可以达到这种条件。在这种情况下，井被同时钻探和开采，因而在这种井筒流体测量时，可以包含有关从地岩层产生的流体的信息。
如果是欠平衡钻探，当钻探井筒时，大量钻井液通过钻杆柱(drill string)泵送到井筒内。钻井液有助于冷却钻头的切削表面，并且当它们经环形空间(annulus)向上流动到地面时，有助于带出从井筒底部切削的泥土。为了保证在这种欠平衡钻探过程中地岩层流体流入井筒，在稍微低于期望的地岩层压力的压力情况下泵送钻井液。当遇到土壤地岩层的渗透和高压带时，钻井液的较低静压可以导致从地岩层井筒的流体大幅度增加。这种流体形成的检测可以用于估计井的流入势能、和利用相应于井的整体变化改变这种流入。从地岩层累积的流体流形成可以在地面检测。但是，为了确定每个单独有助于这种流体形成的准确深度，期望有在钻井时检测靠近钻头的井筒环形空间中的体积流量的装置。
所激活的流体段(a slug of fluid)的飞行时间(Time-of-flight)测量用于关于水流测井(Water Flow Log)(WFL)的现有技术中。在WFL作业中，细长工具降到生产井中，井筒流体段被激活，然后，持续相对长的时段，以确定流量。在这个过程中，激励源诸如脉冲中子发生器(Pulse NeutronGenerator)(PNG)通常关闭，仅非常短暂地激活，以用中子猝发来周期性地标记流体段。
期望提供有关欠平衡钻探的方法和设备，用于确定在井筒给定深度的各种参数。特别期望从电阻率记录确定不可辨别的导水裂隙的深度。通过确定这些深度，可以设计适当的完井，以便阻挡不期望的水流，例如，通过改变井中后来安装的生产管。
发明内容
根据本发明的实施例，在欠平衡钻探环境中确定打孔参数的方法包括：在欠平衡钻探时选择性地激活从地岩层流过井筒的第一流体；检测所激活的第一流体，并检测所述流体进入井筒的深度。
在钻探环境中用于确定井下参数的工具是适于放置在钻杆柱中的工具，其中该工具具有沿其钻杆柱轴分开一距离d的激活装置(6)和伽玛射线检测器(7)。所述工具还包括：控制电路，可操作为开启激活装置(6)以选择性地激活从地岩层通过所述工具的第一流体；和处理装置(17)，响应伽玛射线检测器(7)，用于确定第一流体的激活流体段流过伽玛射线检测器(7)的时间，并且用于确定所述第一流体被检测的深度。本发明的其它方面和优点从下面的说明书和附加的权利要求显而易见。
附图说明
图1表示根据本发明一个实施例的LWD工具。
图2表示根据本发明实施例的LWD工具的电路示意图。
图3表示本发明用于确定飞行时间的方法的实施例的流程图。和
图4表示本发明用于确定在欠平衡钻探的地岩层中发现水的深度的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例依靠在井中向上流到井筒和钻探工具之间环形空间的表面的氧的激活。在激活过程中，在形成的流体中的氧原子受到高能中子轰击而从稳定的原子转换成放射性原子。当氧16原子被中子击中时，质子能释放出核子，同时吸收中子和产生放射性氮16原子。由于半衰期大约为7.1秒，氮16通过发射β粒子衰减成氧16。由氮16β衰减产生的氧16是在激发状态，并且它通过伽玛射线发射释放激发能。伽玛射线发射用伽玛射线检测器检测。
图1表示地岩层评价工具的一个实施例，诸如在井筒2中的LWD工具3。LWD工具是部分钻杆柱14。在其它装置中，LWD工具3包括：激活装置，其在一个实施例中是PNG 6；和激活检测器，其在一个实施例中是间隔已知距离d的伽玛射线检测器7。PNG 6具有激活区11，其中原子通过从PNG6发射的中子激活。当从地岩层产生的含水钻井液向上(箭头所指的方向)流到在LWD工具3和井筒壁5之间的环形空间，在流体中的氧被激活，并通过激活区11。当所激活的流体通过伽玛射线检测器7附近时，检测由所激活的氧发射的伽玛射线。当所激活的流体到达伽玛射线检测器7时，检测到伽玛射线计数率的增加。在PNG 6脉冲开始和伽玛射线计数率增加的检测之间的时间，是反应激活流体从PNG 6传输到伽玛射线检测器7的时间。该时间在下面称为“飞行时间(time-of-fight)”
可以选择在PNG 6和伽玛射线检测器7之间的距离d，以优化所激活流体段的检测。如果距离d太短，检测器接收非常大量所激活的地岩层中的氧，因为土壤地岩层中存在的多数矿物包含充足的氧量。尽管这可测量和可重复，但在计数中的统计变化可能使测量更不准确。另一方面，如果距离d太长，那么在当PNG脉冲停止时和当检测激活的流体时之间消耗太多时间，从而使检测不可靠。通常，可以选择距离d使得对于正常流速，d小于流体在环形空间中行进大约30秒的距离。
伽玛射线检测器7可以是用于中子/伽玛射线工具的任何常规检测器。在这种情况下，伽玛射线检测器7的能量窗口设定成检测所激活的氧发射的伽玛射线。另外，伽玛射线检测器7可以是用于所激活的氧发射的伽玛射线的专用检测器。在环形空间中的流体速度可以利用飞行时间和PNG 6与伽玛射线检测器7之间的已知距离d来计算。等式1表示计算流体速度的一个公式：
V m = d t - - - ( 1 )
其中d是PNG 6和伽玛射线检测器7之间的距离，t是飞行时间，Vm是流体速度。流体速度可以用于计算其它井下参数，诸如流体体积流量(fluidvolumetric flow rate)。
图2表示部分地岩层评价工具的示意图，诸如图1的LWD工具3。如上所述，LWD工具包括PNG 6和分开一已知距离“d”的伽玛射线检测器7。在给定的LWD工具的商业器具中，除了各种其它发射器和传感器之外，根据工具的设计，工具包括各种电路。例如，LWD工具的控制和处理电路的精确设计与本发明没有密切关系，因此，在此不详细描述。但是，在最小限度，应该理解LWD工具3包括设置成在期望时间激活和钝化PNG 6的控制电路15。此外，如该实施例所示，控制电路15还可控制伽玛射线检测器7。
伽玛射线检测器7的输出施加到处理电路，其对本实例来说简单地表示为处理器17。处理器17例如可以进行上述等式(1)所述的流体速度计算。此外，处理器17可以进行下面实施例的其它计算。本领域技术人员认可处理器17致力于本发明的功能性，或者很可能是对于所述工具的普通功能的处理器。
一旦处理器17完成期望的计算，处理器输出结果到存储介质(用于后面恢复)或输出装置(用于经过信道传输到表面)。存在用于这种装置的各种结构并且对本领域技术人员来说是公知的。为了说明起见，这些装置一般表示为输出设备/存储器19。
图3是表示本发明的流程图，如上所述，用于在钻探环境中确定流体的飞行时间。首先，在步骤301中所示，PNG不操作，即，是处于通常“关闭”状态。接下来，在步骤302中，当PNG开启时，PNG脉冲足够的时间周期，让流体段流过激活区(图1中的11)。选择脉冲的持续时间，使得所激活的流体段尺寸足以导致在伽玛射线检测器中伽玛射线计数率的可检测增加。在步骤303中，在距PNG一已知的距离检测伽玛射线计数率的增加。如上所述，这可以利用本领域公知的任何伽玛射线检测器或专用于由激活的氧发射的伽玛射线的检测器来进行。然后，在步骤304中，计算所激活的流体段从PNG传输到伽玛检测器的飞行时间。
根据本发明的各种实施例可以确定不同的参数。首先，如上面详细的解释，PNG用于标记流体段，并且测量直到标记的流体段被伽玛射线传感器检测的时间(飞行时间)。然后，飞行时间可以用于确定其它有关参数。在一个实施例中，给定在PNG和伽玛射线检测器之间已知距离“d”，上述等式(1)可以用于确定流体段速度。
有些LWD工具可以包括设计成在钻探过程中直接测量井筒直径的传感器。这种传感器的一个实例是超声波传感器，其通过测量超声波脉冲从LWD工具穿透泥浆、在井筒壁反射并且返回LWD工具花费的时间确定井筒直径，如在EPA02293279.2公开的用于钻井液的超声速度测量的方法和设备(Roger Griffiths等)。如果这种传感器包括在LWD工具中，在距离“d”上的井筒体积可以从直径计算出来。考虑到在环形空间中有一种流体，本发明的实施例可以用于在环形空间中流体的体积流量的井下测量。如果产生水的速度比钻井液的速度高得多，那么这个单相流动的近似值是合理的。特别是，假定在距离“d”上井筒体积是已知的，工具体积是已知的，ROP是已知的或者相对于距离“d”来说可以忽略不计，从等式(2)可以确定流体的体积流量，如在等式中所示
Q dh = V bh - V tool t - - - ( 2 )
其中t是飞行时间，Vbh是在距离“d”上的井筒体积，Vtool是在距离“d”上的LWD工具的体积，Qdh是在PNG与伽玛射线检测器之间区域流体的体积流量。尽管已知在表面的流体累积体积流量，子表面测量是有用的，因为它提供进入井筒的水深度的精确测量。上述等式假定钻头的钻进速度(ROP)相对于距离“d”可以忽略不计。在多数情况下，这种假定提供好的结果。然而，如上所述，本发明的方法适于考虑钻头的钻进速度，在这些情况下，它不能忽略。
在飞行时间测量的过程中，ROP被认为是用于通过钻杆柱行进的距离来减小PNG和伽玛射线检测器之间的距离。钻杆柱行进的距离等于ROP乘以飞行时间。因此，考虑ROP等式1可以重写为
V m = d - ( ROP · t ) t - - - ( 3 )
其中ROP是钻进速度，d是PNG和伽玛射线检测器之间的距离，t飞行时间，和Vm是流体流速。另外，等式1-2适于用距离d-(ROP·t)代替ROP。
在钻探时，关于图1和2图示的LWD工具可以用于确定存在于邻近所钻井的地岩层中的产水带(water producing zone)的深度。因为众所周知，当钻井液导入井下区域时，钻井液的重量产生的静压与其密度成比例。井的深度越深，由钻井液柱产生的静压头压力越大。蓄水池的地岩层压力(即，由天然气和/或石油施加的压力)改变整个井下区域。当地岩层压力等于钻井液的静压时，所述流体系统达到平衡。如果地岩层压力小于钻井液的静压，该系统失去平衡。相反，地岩层压力大于钻井液的静压造成欠平衡系统。经常减小钻探泥浆的密度，以利用在钻井液中的惰性气体(一般是富氮气)产生欠平衡的钻探条件。在欠平衡系统中，地岩层压力造成气体和/或石油和/或水进入井筒中的净流动。
在本发明在此描述的实施例中，选择钻井液使得它含有很少氧或，如果可能，不含氧。而且，可以应用使钻井液到欠平衡地岩层压力的条件。例如，钻井液可以包括油、碳氢化合物气体、或氮，并且大致在欠平衡地岩层压力的条件下。当井筒在欠平衡的条件下，在钻探时从地岩层产生流体，就象一生产井一样。所产生的流体和向下注入钻杆柱的钻井液经过钻探工具向上流到所钻井筒的环形空间。
当在正常测井操作时，LWD工具3中的PNG 6大多数时间是“开启”，以产生用于中子记录测量的中子，在这里描述的本发明实施例中，PNG多数时间停在“关闭”。根据本发明的实施例，PNG脉冲开启足够长时间周期，使向上流过环形空间的特定流体作上标记(激活)。本发明的实施例直接选择性地标记(激活)从地岩层到井筒而沿环形空间向上流的特定流体。因此，当特定流体被激活时，伴随的流体(钻井液和碳氢化合物，最后存在于地岩层中)不会被激活，如果它们被激活，那也只达到相对于伴随的流体待检测的特定流体会得到识别的程度。如在此使用的，“激活的流体”意谓着这样的一段流体(a slug offluid)，即该段流体当PNG脉冲时通过PNG附近的激活区，并且具有大致高于未激活流体(钻井液)的辐射性，使得伽玛射线检测器可以容易地检测到由于流体的激活产生的伽玛射线的增加。
在一个实施例中，特定流体是水。如果水存在于井筒环形空间中，那么在水中的氧被来自PNG的脉冲激活。当激活的流体(水)通过检测器时，伽玛射线检测器7随着计数率的增加检测水的激活。由于选择钻井液含很少氧或不含氧，因而响应于开启的PNG，检测器7进行的伽玛射线检测与井筒环形空间中水的存在非常相关。虽然利用不包括氧或很少氧的钻井液进行选择性激活，但本发明不限于这个实施例。本领域技术人员应该理解，可以设计可能使用不同于上述那些钻井液的钻井液的钻探系统。这样的钻井液可以不同于被检测的特定流体(在一个实施例中是水)，因为选择性地产生待检测的特定流体的标记(激活)，使得所述标记使所述特定流体与所用的钻井液区分开来。而且，通过查看使特定流体可辨别的标记的其它特性，本领域技术人员可以将待检测的特定流体的存在与可得到激活的其它流体或元素的存在区别开来。例如，对于来自地岩层的水中的氧，它的存在可以与存在于钻井液中的也可以被激活的诸如Si和/或Ba的其它元素区别开来，或者与自然伽玛射线区别开来，因为氧伽玛射线能量高于来自于Si和/或Ba激活的伽玛射线能量，或高于自然伽玛射线能量。而且，当油基钻井液甚至还含有一些氧时，通过查看所检测信号的急剧增加，仍可检测到井筒中来自于地岩层的特定流体的存在与钻井液的存在不同，检测信号急剧增加表示除了钻井液之外的某物突然存在于井筒中。
图4是本实施例的流程图，如在此所述，用于确定土壤地岩层中含特定流体(水)带的深度。首先，在步骤401中，PNG不操作，即，是在通常“关闭”状态。接下来，在步骤402，PNG脉冲足够的时间周期，让含有特定流体的流体段流过激活区(图1中的11)，同时，PNG开启并选择性地激活特定流体，诸如在一个实施例中为水。通过下命令给所述工具，可以改变P NG的脉冲模式。脉冲的持续时间这样选择，激活的流体段尺寸足以在伽玛射线检测器上产生伽玛射线计数率的可检测增加。在步骤403，在距离PNG的已知距离检测伽玛射线计数率的增加。如上所述，这可以利用本领域公知伽玛射线检测器或专用于由激活的氧发射的伽玛射线检测器的任何伽玛射线检测器来进行。然后，在步骤404，通过查看在伽玛射线检测器中大致增加计数的时间t确定特定流体的相对速度。对于在测量过程中发生的钻探管移动的实际速度可以进行校正。应该指出，尽管有关图4说明的方法中，PNG关闭一个时间周期，然后回到开启，但地岩层中流体的检测也可以在这样一个实施例中进行，在该实施例中，初始不关闭PNG，而只是如果水开始从地岩层流入井筒，用检测器测量出现的伽玛射线的急剧增加。
已知从PNG检测器中点到钻头的距离、钻头钻进速度和环形空间中流体速度，可以确定该流体进入井筒的地岩层深度。从地面到钻头的距离一般通过钻探管深度的标准测量来确定。当使用静态实时测井随钻测量(staticreal-time logging while drilling measurement)时，从测量传感器到钻探工具(钻头)的距离表示井筒的“盲”间隔，其在可获得有关地岩层的任何信息之前穿透。减小这个盲区的长度是很重要的，以避免地岩层钻探长度产生不需要流体。随欠平衡钻探所产生流体的动态测量实际上减小这个盲间隔，因为环形空间流体流动比钻头穿透速度快。当钻头穿透新的地岩层时，来自该地岩层的流体向上流到新井孔的环形空间，通过钻探工具中的PNG检测器测量点。该流体通常以快于钻探速度几倍的速度流动。因此，在PNG检测器传感器物理地通过该地岩层之前，从新钻地岩层产生的流体到达PNG检测器传感器。因此，即使钻头到PNG检测器的物理距离相对长，可以测量的在地岩层中的流体深度的点差不多在钻头上。越快的水检测，越容易进行充分测量，例如响应终端钻探(terminating drilling)。
在另一实施例中，本发明提供用于确定在地岩层中存在的特定流体(在一个实例中的水)流量的方法，当环形空间除存在地岩层水之外还存在大量钻井液时，不可以使用单相流动的近似值。在这种情况下，进行附加测量，以解决用于水流动的环形通流面积的减小比例的问题。该方法依靠用检测器测量的伽马射线计数的增加量和飞行时间。计算流量的方法实施例依靠受让给本申请的受让人的美国专利5,219,518中公开的方法(′518专利)(MCKeon等)，并且在此并入作为参考。′518专利公开在第一实施例的13栏、15栏53行、13行，其中表示流量“Q”与检测器检测的计数数量成比例。Q由下列公式确定：
Q＝F(V，d，rd，Ld，Tact，Bhod)×Cflow/Stotal
其中“Cflow”是表示流动特征的计数数量，“Stotal”是在辐射期间发射的总中子数，V和d上面已经限定，“rd”是检测器的半径，“Ld”是检测器的长度，“Tact”是辐射周期，“Bhod”包括井筒补偿系数。函数“F”可以在实验室确定，根据不同的环境条件测量测井工具的反应。“Cflow”可以确定为表示流动的特征面积，诸如在′518专利的图2A，2B，3A，3B所示的峰值，或在图7A，7B，7C上的拉长区域700，701，702。“面积”意味着用指数衰减曲线划界的特征面积。在′518专利的图5A，5B和6的实例中，“Cflow”面积对应于称为FLOWING的各个阴影区，而在′518专利的图4A，4B的实例中，“Cflow”面积对应于各个阴影区。“Stotal”可以在实验室设备中或者在井筒测量期间的状况用已知的方法计算。例如，在受让给斯伦贝谢技术公司(Schlumberger Technology Corporation)美国专利No.4,760,252中描述的方法可能是合适的。根据′518专利的第二实施例尤其合适，但是不排斥低速流动，流量“Q”可以通过′518专利的图7A，7B，7C和图8所述的步骤确定。′518专利的图8表示代表流动计数对流量的坐标图(每天测量的桶；100桶明显等于15.9m3)。′518专利的图8的坐标图是在测量前的参考坐标，或者利用实验室设备或者用模型计算。根据在′518专利公开的发明，发现至少对于低速，涉及低流量计数(表示流动)是线性的。一旦获得计数率对时间(在测量时)的实际坐标图，那么，计算在所述实际坐标图上代表流动的特征面积，给出表示流动的计数数量。然后，参照′518专利的图8的参考坐标确定实际流量，用于相应于所述实际计数的数量的流量值。
在环形空间中流动的流体通常包括钻井液和产生的流体的组合。在一个实施例中，钻井液包括油，并且所测流体是产生的水。当产生的水比率不大于油钻井液时，在环形空间中油和水的混合物可以作为两相流动来对待。除了飞行时间之外，确定水流量的一种方法是利用前面描述的所增加计数的量。确定水流量的另一种方法是形成平均水体积分数(“持率”)的分离测量，然后根据等式结合水速度和环形通流面积
qw＝HwvwA                              (4)其中qw是水流量，Hw是持水率，vw是水的速度，和A是环形通流面积。
持水率是在环形通流面积中水的比例。持水率测量象水速度测量一样，尽可能在时间和位置上靠近进行。下面描述基于不同的持水率测量确定水流量的两种方法。
在一个实施例中，本发明提供一种通过从欠平衡井的井筒环形空间的电阻率确定水速度(如上所述)和持水率而测量产生的油和水流量的方法。井利用流体(诸如上述的一种)钻探，其相对水中所含的氧来说不含氧或含很少氧。在大致相同的时间和大致相同的井筒深度进行水速度和井筒流体的电阻率的判断。这通过包括“核子”部件(诸如PNG)的LWD工具和具有彼此靠近的测量点的“电阻率”部件进行。为了确定井筒的电阻率，一种方法可以是受让给斯伦贝谢技术公司(Schlumberger Technology Corporation)并且在此并入作为参考的美国专利No.4,760,252中(“Best专利”)描述的方法。Best专利依靠井筒中流体已知的电阻率，以减小井筒的直径。根据本发明一个实施例的方法，利用假定已知的井筒直径，以获得井筒的电阻率。
Best专利涉及在有线测井或随钻测井过程中，利用电磁工具测量井筒直径的方法和设备。电磁波在位于测井装置外周的发射天线处产生，并通过与发射器纵向隔开的两个或更多类似的接收天线检测。在操作这种工具的过程中，发射的电磁波发射状地穿过井筒并进入地岩层。然后，该波在地岩层中平行于井筒壁传播，然后，进入井筒放射状地传播到接收器。这种路径的结果是，在接收器上的信号相(与在发射器上的信号相有关)包含有关井筒流体、井筒直径、和地岩层的信息。在接收器中测量的相移(和/或衰减)主要取决于地岩层电阻率。与一个或多个接收器上的相相关的相移使井筒对接收器上的相影响与地岩层对接收器上的相影响能够分开。井眼影响(wellboreeffect)直接与井筒直径和井筒中的流体电阻率相关。
根据本发明的方法，井筒的直径分别通过不同的测量来确定，诸如在上面引用的欧洲专利申请公开的超声波测量。由于知道直径，在Best专利第3-6栏中提出的一个公式可以用于确定井筒的电阻率。Best专利在3-6栏提出了确定作为井筒流体电阻率的函数的井筒直径的几种方法。例如，Best专利提出下列等式：
ФT≈(A-43/Rm+0.47/Rm 2)+(4+5.5/Rm-0.05/-Rm 2)Dh+(17.6+0.14Dh-0.029Dh 2)ΔΦ(5)其中ΦT是总相(total phase)，A是涉及发射天线的信号相的常数，Rm是钻探泥浆的电阻率，Dh是井筒的直径，ΔΦ是安装在工具上的两个接收器之间的相移，和ΦT是“总相”，即，是在两个接收器上接收到信号的相的总和的两倍。Best专利第6栏(colume)说明如何获得该公式，尽管在此描述的本发明实施例不局限于这个表达式和不局限于从这个表达式确定的电阻率。
从井筒的电阻率可以获得在多相流体中产生的水的持率Hw，假定钻井液和油具有相似的介电特性，其是在此讨论的钻井液包括油、碳氢化合物气体、或氮的实施例中的可行假定。而且假定在混合物中气体的量足够低，以认为混合物是两相流动混合物。而且，假定水体积分数高于0.5，混合物可以认为是水连续相。在这种情况下，可以使用Ramu & Rao公式，并且混合物的导电率表示为：
σ m w = σ water 2 β 3 - β - - - ( 6 )
和
σ＝1/Rm  (考虑单元转换系数)(7)
其中β是持率Hw(没有滑动的水切割)，和σwater是水的导电率。
因为Rm可以从上述的Best专利中确定，在Best专利中Hw可以从等式(6)确定。那么Hw可以用于推导水流量qw和油流量qo。
众所周知，在井中均匀流动放热水和碳氢化合物的流量可以表示为：
       qw＝AHwvw           (8)
用于水；和
       qo＝A(1-Hw)vo       (9)
用于碳氢化合物，其中A是井的截面，Hw是平均水体积分数，vW是平均水速度，vo是平均碳氢化合物速度。可以假定在钻探环境中，在井筒和钻铤之间的环形空间中流动的油和水相之间没有滑动速度。在环形空间的汹涌混流模式(turbulentmixed flow regime)中，相对大的钻铤高速旋转，例如，63/4英寸钻杆柱与近全尺寸的稳定器一起在8英寸的孔中以200rpm旋转，在这样的模式中上述假定是合理的。在这种情况下，水速度vw近似等于油速度vo，即，混合速度。因此，当面积A已知时，产生的流量qw和qo可以从等式(8)和(9)确定，Hw持率从上述的电阻率Rm确定。
然而在另一实施例中，持水率可以通过脉冲中子俘获(PNC)测井确定。(根据本实施例，在欠平衡钻探的地岩层通过高能中子(一般为14MeV)猝发而辐射)。中子通过与地岩层和井筒中的核子碰撞慢下来。然后，慢(热)的中子经一段时间被地岩层和井筒的核子俘获(中子俘获)，或者它们扩散到检测器的检测范围外(中子扩散)。中子俘获伴随伽玛射线的发射，其在测井工具中检测。伽玛射线计数随时间的下降主要是地岩层流体和井筒流体的矿化度(salinity)的量度。缺盐的地岩层水经常是存在碳氢化合物的指示器，其不含NaCl。与衰减时间相反，就热中子俘获截面∑(sigma)而言，经常记录伽玛射线强度的下降。通常，在地岩层中碳氢化合物的存在增加中子俘获时间，从而减小热中子俘获截面。
在一个实施例中，PNC工具可以是“双猝发”工具，诸如在受让给斯伦贝谢技术公司(Schlumberger Technology Corporation)的美国专利4,926,044、题为“热衰减时间测井方法和设备(Peter Wraight)”中公开的工具。在双猝发工具中，确定地岩层的热中子俘获截面的普通“长”中子猝发先于一个或更多的“短”猝发，其让PNC系统根据伽玛射线计数定性井筒的热中子俘获效应并最终对其大致补偿。双猝发时序从短中子猝发(例如10μs)开始，随后几个(例如，5个)“俘获”计数门(count gate)，紧接着所述猝发，在此期间在几个10□s“计数门”的时间周期内测量快热中子衰减，几个10□s“计数门”的时间周期是规定的时间周期，在该时间周期由伽玛射线检测器产生的信号传送到信号计数电路(未示出)中。因为第一猝发相对短，花费较长时间形成的地岩层信号小，引起的伽玛射线衰减时间主要涉及井筒的热中子俘获截面。然后，时序可以继续有长中子猝发(例如，152μs)，接下来是在几个100□s的时间期间的几个(例如8)“俘获”计数门，在此期间测量“慢”热中子衰减。慢的衰减通常通过地岩层的热中子俘获截面□□□□□来控制。利用在短碰撞之后获得的衰减时间，可以对钻孔的热中子俘获截面的影响进行校正。伽玛射线计数在预定计数周期累积。然后，在所述计数周期内的伽玛射线计数可以用于确定井筒和地岩层的热中子俘获截面，如在Wraight专利提出的。当井筒俘获截面∑wellbore是从地岩层进入井筒的水的俘获截面∑water和各个碳氢化合物钻井液的俘获截面∑drillingfluid的线性组合时，持水率Hw可以从下面提供的公式获得，其中地岩层水的矿化度是已知的。
      ∑wellbore＝∑water Hw+∑drillingfluid(1-Hw)
这种方法类似于电阻率法，因为通过钻井液的地岩层的侵入的实际缺乏涉及三个变量。在UBD井中三个变量是：井筒流体测量、井筒尺寸和未受损害的地岩层测量。在一般的过平衡井中有五个变量：井筒流体测量、井筒尺寸、侵入带测量、侵入带深度、和未受损害的地岩层测量。而且，两种测量法利用水的矿化度量度，其可以来自于产生的水样品的表面测量。这种水的矿化度确定在“井筒中子俘获截面”等式中的“地岩层水中子俘获横截面”项、和在“井筒电阻率”等式中的“地岩层水的电阻率”项。
在此描述的实施例有几种应用。一种应用是在这些情况，当产水源不能由其它方法确定时，因为没有流体流动的静态测量缺乏深度或分辨力来揭示产水源。作为在导水裂隙情况下的实例，不能只从静态测量确定这些裂隙将产生的流体的类型。但是，当在欠平衡的条件下钻探井时，本发明的实施例提供在井流动的动态条件下进行测量的可能性。由于产水带被贯穿，因而可以有几种选择。可以放弃产水带并钻探更好位置的孔。另外，具有产水带的孔可以通过安装合适的完井来隔离，所述完井包括定位在适当深度的堵水装置。一个提供堵水选项的简单完井位于套管被粘牢的位置，只是在碳氢化合物产生带具有穿孔。在此描述的本发明的实施例还可以用于对钻探时的钻头估定发生了多少流体损失。这也可以用作实时监控器，以估定钻井液损失处理的效果，或可能沿路更持久的处理。在钻探后，在生产条件下具有整个新钻的井筒，当离开井筒时，测井工具可以用于形成整个井的水流测井。这个记录可以用作基础记录，以检验完井效果，其可以在初始测井后安装在井中以使水的流入最小。完井后进行第二水流测井，生产测井下井仪器利用所述相同的测量原理。比较两个记录来检验堵水的效力。
尽管在此描述的本发明实施例讨论了欠平衡钻探，本发明不限于这种钻探。它可以应用于过平衡钻探，其中在通过裂隙的钻探时，为了估定它的生产能力，暂时降低井中的压力，接下来是如上面的说明书所述的欠平衡钻探。在欠平衡钻探期间，当在短时间周期生产井时，可以进行上述测量。然后，恢复过平衡操作。
虽然本发明描述了有限数量的实施例，但在没有脱离在此公开的本发明的范围的情况下，受益于本公开的本领域技术人员将理解可以想出其它实施例。例如，尽管为了说明起见利用描述的PNG激活，在本发明的范围内可利用任何激活装置。因此，本发明的范围仅通过附加的权利要求来限定。

Claims (37)

1.一种用于在钻探环境中确定井下参数的方法，包括：
在欠平衡钻探期间，在从地岩层流过井筒的第一流体中选择性地产生标记；
检测所述标记；和
确定所述标记被检测的深度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述标记通过在所述第一流体中主要或单独包含的同位素的激活而产生。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一流体的激活包括相对至少一第二流体大致激活所述第一流体。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第二流体包括钻井液。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述第二流体包括大致低于在所述第一流体中激活的同位素的浓度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一流体包括水。
7.如权利要求6所述的方法，其中激活的同位素是16O。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其中该方法利用一随钻(WD)工具实施。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述激活通过在所述WD工具中包括的激活装置进行。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述WD工具还包括位于离所述激活一距离d的一伽玛射线检测器，所述伽马射线检测器用于检测所激活的同位素的伽玛射线。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述伽马射线检测器具有一域值，以选择性地检测所激活的同位素。
12.如权利要求11所述的方法，其中用所述检测器检测的伽玛射线光谱分解成来自于不同的所激活的同位素的成分，以选择性地检测有关的所激活的同位素。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述激活装置包括一脉冲中子发生器。
14.如权利要求1所述的方法，其中还包括安装至少包括一堵水装置的完井，该堵水装置位于确定为防止所述第一流体流入所述井筒的深度。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述脉冲中子发生器适于以不同频率发生脉冲。
16.如权利要求1所述的方法，其中还包括确定所标记的第一流体行进在产生标记的标记装置和检测标记的检测装置之间的一距离(d)的一飞行时间。
17.如权利要求16所述的方法，其中还包括由所述飞行时间(t)和所述已知距离(d)计算所述第一流体的速度。
18.如权利要求17所述的方法，其中还包括从以下公式获得水流量“Q”的步骤：
                 Q＝F×Cflow/Stotal
其中F是环境参数的函数，Cflow是表示流动的计数数量，和Stotal是在激活过程中的中子总数。
19.如权利要求18所述的方法，其中还包括以下步骤：通过在大致相同的深度和大致相同的时间、测量所述井筒流体的电阻率和所述第一流体的所述速度来确定的流体1和流体2的体积分数，获得流量。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述电阻率根据所述井筒的直径来确定。
21.如权利要求20所述的方法，其中确定所述电阻率包括：
发射传播函数电磁信号；
检测在所述井孔中一对位置之间的传播信号的相移；和
确定表示与所述发射信号的相有关的接收信号的相的相信号；
相应于所述井筒的直径、所述相信号和所述相移信号，确定所述电阻率。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述直径通过使超声脉冲穿过所述井筒的环形空间、在井筒壁反射并返回一检测器来确定。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述传播函数电磁信号通过位于所述钻杆柱工具的给定位置的发射天线来发射，所述传播信号的相移通过位于所述钻杆柱的所述一对位置的一对接收器来检测。
24.如权利要求20所述的方法，其中通过利用PNC装置来测量所述井孔流体的热中子俘获截面而确定在所述井筒中的所述第一和第二流体的体积分数。
25.如权利要求1所述的方法，其中所述第一流体流向地面位置。
26.一种用于在钻探环境中确定井下参数的工具，其中该工具适于放置在一钻杆柱中，其中该工具包括沿钻杆柱轴分开一距离d的标记装置(6)和标记检测器(7)，该工具还包括：
开启所述标记装置(6)的控制电路，以选择性地标记从地岩层流过该工具的一第一流体；和
连接所述标记检测器(7)的处理装置(17)，用于确定所标记的第一流体流过所述标记检测器(7)的时间。
27.如权利要求26所述的工具，其中所述标记通过选择性激活而产生。
28.如权利要求27所述的工具，其中所述第一流体的选择性激活包括至少相对于第二流体大致激活所述第一流体。
29.如权利要求28所述的工具，其中所述工具包括一随钻(WD)工具。
30.如权利要求28所述的工具，其中所述标记装置是在所述WD工具中包括的一激活装置。
31.如权利要求26所述的工具，其中所述标记装置适于通过来自地面的命令而开启。
32.如权利要求26所述的工具，其中所述标记检测器是位于所述工具中距所述激活装置一距离d的一激活检测器。
33.如权利要求32所述的工具，其中所述激活检测器包括具有一域值的一伽玛射线检测器，以选择性地检测所激活的同位素。
34.如权利要求32-23所述的设备，其中所述激活装置包括一脉冲中子发生器。
35.如权利要求28所述的设备，其中所述至少第二流体包括钻井液。
36.如权利要求28所述的设备，其中所述至少第二流体包括在所述地岩层中存在的碳氢化合物。
37.一种用于在钻探环境中确定井下参数的方法，包括：
钻探过平衡的井筒；
检测穿过地岩层的裂隙；
钻探所述欠平衡的井筒；
在欠平衡钻探期间，在从地岩层流过所述井筒的一第一流体上选择性地产生标记；
检测在所述第一流体中的标记；
确定在所述第一流体中所述标记被检测的深度；并恢复过平衡钻探。
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