使用多個標(biāo)準和空間區(qū)域的核頻譜分析校正的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用核頻譜分析測井儀估測地層情況的方法，所述方法包括將包含中子源和伽馬射線探測器的核頻譜分析測井儀放置在井眼中且執(zhí)行多個環(huán)境測量。從所述核頻譜分析測井儀發(fā)射中子從而使得所述中子中的一些從臨近所述核頻譜分析測井儀的地層中產(chǎn)生伽馬射線，所述中子中的一些從所述核頻譜分析測井儀之內(nèi)的元素中產(chǎn)生伽馬射線，且所述中子中的一些從鉆井泥漿中的元素中產(chǎn)生伽馬射線。由發(fā)射的中子誘導(dǎo)的伽馬射線的能譜可以采用所述測井儀探測且使用包含至少兩個子-標(biāo)準的標(biāo)準能譜的組合進行分析，其中所述子-標(biāo)準表示共同元素或元素組且其基于中子相互作用的位置例如中子熱化的位置進行區(qū)分。
【專利說明】使用多個標(biāo)準和空間區(qū)域的核頻譜分析校正
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求2011年5月24日提交的系列號為61/489，292，名稱為“SYSTEMS ANDMETHODS FOR ENVIRONMENTAL CORRECTIONS IN NUCLEAR SPECTROSCOPY USING MULTIPLESTANDARDS AND DIFFERENT SPATIAL REGIONS”的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，將該申請的全部內(nèi)容通過援引加入的方式納入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開寬泛地說涉及核頻譜分析(nuclear spectroscopy),更具體而言涉及估測和確定(account for)環(huán)境對核頻譜分析結(jié)果的影響的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)為了獲得石油、天然氣或其它材料而鉆井通過巖石地層或其它地層時，確定或估測正被鉆井通過的地層的類型是有益的。例如，與地層類型有關(guān)的信息可用于更精確地解釋其它測井測量，從而估測地層孔隙度、含水飽和度、凈含烴量、以及地層滲透性和產(chǎn)量。其也可用于根據(jù)估測的地層機械特性而作出的鉆井決定中。
[0005]存在各種嘗試確定或估測地層的方法，其中的一個是隨鉆測井或LWD。LWD是在挖掘井孔期間、或此后不久通過使用集成到井底鉆具組件中的測井儀測量地層的特性。
[0006]LffD的一個已知技術(shù)是中子-伽馬頻譜分析，其使用中子在原子核中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)，然后所述中子可以通過發(fā)射一個或多個伽馬射線進行衰減。每一個同位素的伽馬射線具有可以用于區(qū)分特定元素(例如氫)的濃度的特征能譜。結(jié)果是，一組同位素的伽馬射線提供一組可用于區(qū)分相應(yīng)元素一例如氫、氯、鐵、硅、鈣、硫、鈦、鋁、鈉、鎂、錳和鎳一的濃度的特征能譜。
[0007]使用中子-伽馬頻譜分析的一個缺點是在頻譜分析測井儀(spectroscopy tool)中的一個或多個元素可能與地層中的一個或多個元素相同，因而當(dāng)嘗試確定或估測地層中的元素時，所述測井儀可能實際還探測到由地層以外的元素——例如工具或鉆井泥漿中的元素——產(chǎn)生的伽馬射線。就是說，存在于地層和例如測井儀中的元素的能譜實際上是來自地層的元素的能譜與來自測井儀的元素的能譜的總和。來自地層以外的能譜部分通常稱為背景能譜。
[0008]另一個缺點是地層的環(huán)境條件可能因井而異且在特定井之內(nèi)還可隨深度而變，這可能影響使用LWD中子-伽馬頻譜分析測量的能譜。不同的地層環(huán)境參數(shù)的實例是井眼尺寸、巖石地層密度、井眼流體密度、巖石地層的含氫指數(shù)、巖石地層的中子慢化長度、巖石地層的熱中子俘獲截面西格瑪、或井眼流體的熱中子俘獲截面西格瑪。
[0009]當(dāng)嘗試確定或估測鉆井通過的地層的類型時，消除、減少這些缺點中任一個的影響、或補償這些缺點中的任一個都將是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本公開描述了用于確定環(huán)境對核頻譜分析測量的影響的幾個不同的方法、器械、以及系統(tǒng)。
[0011]根據(jù)本公開的一個實施方案，使用核頻譜分析測井儀估測地層情況的方法包括將包含中子源和伽馬射線探測器的核頻譜分析測井儀(nuclear spectroscopy tool)放置在井眼中以及執(zhí)行多個環(huán)境測量。從所述核頻譜分析測井儀發(fā)射中子從而使得所述中子中的一些從臨近所述核頻譜分析測井儀的地層中產(chǎn)生伽馬射線，所述中子中的一些從所述核頻譜分析測井儀之內(nèi)的元素中產(chǎn)生伽馬射線，且所述中子中的一些從鉆井泥漿中的元素中產(chǎn)生伽馬射線。由發(fā)射的中子誘導(dǎo)的伽馬射線的能譜可以采用測井儀探測且使用包含至少兩個子-標(biāo)準的標(biāo)準能譜的組合進行分析，其中所述子-標(biāo)準表示共同元素或元素組且其基于中子相互作用的位置進行區(qū)分，例如中子熱化的位置?？梢允褂盟龇治龉罍y地層情況。
[0012]根據(jù)本公開的一個實施方案，用于估測地層情況的核頻譜分析測井儀包含這樣一種中子源，其將中子發(fā)射到臨近所述測井儀的地層中從而使得所述中子中的一些可以從該地層中產(chǎn)生伽馬射線，所述中子中的一些可以從所述核頻譜分析測井儀中的元素中產(chǎn)生伽馬射線，且所述中子中的一些可以從鉆井泥漿中的元素中產(chǎn)生伽馬射線。所述測井儀包含伽馬射線探測器，其探測由發(fā)射的中子誘導(dǎo)的伽馬射線的能譜；和數(shù)據(jù)處理電路，其使用包含至少兩個子-標(biāo)準的標(biāo)準能譜的組合對探測的伽馬射線能譜執(zhí)行分析，其中所述子-標(biāo)準表示共同元素或元素組且其基于中子相互作用的不同位置進行區(qū)分，以及使用所述分析估測地層情況。
[0013]其它實施方案包括實現(xiàn)上文描述的方法學(xué)實施方案的結(jié)構(gòu)、裝置、器械和系統(tǒng)。另夕卜，盡管公開了具有多個元素或方面的多個實施方案，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，從示出且描述了本發(fā)明的示例性實施方案的下文詳細的說明書中將明顯可以得出本發(fā)明的其它實施方案、元素、以及方面。因此，附圖和詳細的說明書將被視為實質(zhì)上是說明性的而非限制性的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本公開的實施方案的井場系統(tǒng)的示意圖。
[0015]圖2是根據(jù)本公開的實施方案的隨鉆測井頻譜分析測井儀的示意性圖例。
[0016]圖3和4是根據(jù)本公開的實施方案的示意性框圖。
[0017]圖5是說明了測井儀背景鐵比率與地層西格瑪?shù)南嚓P(guān)性的圖表。
[0018]圖6是說明了測井儀背景鐵比率與地層慢化長度的相關(guān)性的圖表。
[0019]圖7是說明了井眼尺寸如何緩和測井儀背景鐵比率與地層西格瑪?shù)南嚓P(guān)性的圖表。
[0020]圖8是說明了地層基質(zhì)鐵重量濃度差異的圖表。
[0021]圖9是說明了背景鐵比率的參數(shù)化的圖表。
[0022]圖1OA和IOB是說明了地層基質(zhì)鐵重量濃度的柱狀圖。
[0023]圖1lA和IlB是說明了相對于地層西格瑪?shù)膮?shù)化的測井?dāng)?shù)據(jù)中鐵比率的圖表。
[0024]圖12是說明了根據(jù)本公開的實施方案的方法的流程圖。
[0025]圖13是說明了測井儀內(nèi)部背景能譜和測井儀外部背景能譜的實驗取得的實例的圖表。[0026]圖14是說明了通過建模取得的內(nèi)部和外部測井儀背景能譜的圖表。
[0027]圖15是說明了根據(jù)本公開的實施方案的方法的流程圖。
[0028]圖16是說明了來自起源于地層中的伽馬射線和來自起源于井眼或泥漿通道中的伽馬射線的建模能譜的圖表。
[0029]圖17是說明了中子捕獲的空間分布的蒙特卡羅(Monte Carlo)建模的圖表。
[0030]圖18是說明了根據(jù)本公開的實施方案的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031]包括方法、器械和系統(tǒng)實施方案在內(nèi)的本公開的一個或多個具體實施方案將在下文中描述。這些描述的實施方案和它們的各自不同元素僅僅是目前公開的技術(shù)的實例。公開的器械的結(jié)構(gòu)方面提供裝置用于實現(xiàn)公開的方法的不同方面。應(yīng)該理解，在任何這樣實際實施方式的開發(fā)中，例如在任何工程或設(shè)計項目中，可能作出大量關(guān)于實施方式的具體決定用以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如遵從系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的限制，所述目標(biāo)可能因?qū)嵤┓绞蕉煌?。而且，?yīng)該理解，這樣的開發(fā)努力可能是費時的，但對于受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將仍然是設(shè)計、制造和生產(chǎn)的常規(guī)任務(wù)。
[0032]當(dāng)引入本公開的各種不同實施方案的元素時，表述“一”、“一個”以及“該”旨在表示存在一個或多個所述元素。術(shù)語“包含”、“包括”、以及“具有”旨在表示包括且表示可能存在所列元素以外的附加元素。此外，應(yīng)該理解，提及本公開的“一個實施方案”或“實施方案”不旨在解釋成排除也包含所列元素的附加實施方案的存在。
[0033]圖1說明了井場測量儀器、系統(tǒng)和方法的實施方案。圖1的井場系統(tǒng)可以在岸上或在海上用以，例如勘探和生產(chǎn)石油、天然氣、以及其它資源，它們能夠被使用、煉制、和以其它方式加工用于燃料、原料、和其它目的。在圖1的井場系統(tǒng)中，井眼11能夠在地下地層(例如巖石地層)中通過使用任意合適技術(shù)的旋轉(zhuǎn)鉆井來形成?？蓪@柱12懸掛在井眼11之內(nèi)且能夠在其下端具有包含鉆頭105的井底鉆具組合100。圖1的井場系統(tǒng)的地面系統(tǒng)能夠包含布置在井眼11之上的平臺和鉆塔組件10，其中所述平臺和鉆塔組件10包含轉(zhuǎn)盤
16、方鉆桿17、吊鉤18以及轉(zhuǎn)環(huán)(rotary swivel )19。鉆柱12能夠通過轉(zhuǎn)盤16旋轉(zhuǎn),所述轉(zhuǎn)盤16通過任意合適的裝置提供動力且在鉆柱12的上端嚙合方鉆桿17。鉆柱12可從吊鉤18處懸掛下來通過方鉆桿17和轉(zhuǎn)環(huán)19，其中所述吊鉤18附連到游動滑車(未示出)且所述轉(zhuǎn)環(huán)19使得鉆柱12可相對于吊鉤18旋轉(zhuǎn)?？梢蕴鎿Q性地使用頂部驅(qū)動系統(tǒng)，其可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的頂部驅(qū)動系統(tǒng)。
[0034]在圖1的井場系統(tǒng)中，所述地面系統(tǒng)也可以包含在井場處形成的存儲在池27中的鉆井液或泥漿26。泵29可以通過轉(zhuǎn)環(huán)19中的端口將鉆井液26輸送到鉆柱12的內(nèi)部，從而使鉆井液如方向箭頭8所示向下流動通過鉆柱12。鉆井液26可以通過鉆頭105中的端口離開鉆柱12，且如方向箭頭9所示向上環(huán)行通過鉆柱12的外部與井眼11的井壁之間的環(huán)狀區(qū)域。以這種方式，鉆井液潤滑鉆頭105且當(dāng)鉆井液26返回到池27用于再循環(huán)時將地層鉆屑向上攜帶到地面。
[0035]作為一個例子，圖1的井場系統(tǒng)的井底鉆具組合100可以包含隨鉆測井(LWD)模塊120、另一個類型的隨鉆測量(MWD)模塊130、旋轉(zhuǎn)式可轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(roto-steerable system)和馬達150、以及鉆頭105中的一個或多個。LWD模塊120可以安裝在特殊類型的鉆井鉆鋌中。還將理解的是，可以使用一個以上的LWD模塊或LWD模塊之內(nèi)的測井工具(其通常由附圖標(biāo)記120A表示)。因此，提及LED模塊120還可以替換性地意味著也適用于在120A的位置處的模塊。LWD模塊120可以具有用于測量、處理和存儲信息以及用于與地面設(shè)備通信的能力。
[0036]圖2呈現(xiàn)了為能譜測井工具121的或包含能譜測井工具121的LWD模塊的示例性實施方案的側(cè)視圖的示意性框圖。所述測井工具121包含底盤122、鉆鋌123以及延伸通過所述測井工具121的流動導(dǎo)管124。中子源125位于測井工具121中第一位置處，且探測器126 (例如伽馬射線探測器)位于與所述中子源125軸向間隔開的第二位置處。中子屏蔽127 (例如硼屏蔽)相對于中子源125徑向布置在第二位置處或接近第二位置處。設(shè)想到關(guān)于這個實施方案以及使用LWD模塊120和測井工具122的通常配置或方面的能譜測井儀的其它實施方案的細節(jié)與任意合適的運輸裝置一起使用，所述運輸裝置例如電纜、撓性管道、隨鉆測井(LWD)，等等。進一步地，關(guān)于環(huán)境的信息(例如地層西格瑪、泥漿西格瑪、密度、井眼尺寸、以及慢化長度)可以使用如下文進一步討論的額外的設(shè)備來獲得。
[0037]圖3和4呈現(xiàn)LWD模塊120的實施方案的側(cè)視圖的示意性框圖，其中圖3和圖4彼此之間旋轉(zhuǎn)90度。LWD模塊120可以與數(shù)據(jù)處理電路200連接。盡管LWD模塊120和數(shù)據(jù)處理電路200作為圖3中的獨立元素描述，但是可以理解的是，數(shù)據(jù)處理電路200可以全部在LWD模塊120之內(nèi)、在遠離LWD模塊120的地面處、或部分在LWD模塊120之內(nèi)且部分在地面處實施。通過舉例，LWD模塊120可以表不Schlumberger Technology Corporation的EcoScope?工具模型。
[0038]LffD模塊120的這個實施方案的底盤204可以包括用于發(fā)射且探測輻射用以獲得頻譜分析測量的多種元件和構(gòu)造。例如，中子源206可以作為發(fā)射至少2MeV中子的中子源，用以通過與地層元素的非彈性散射產(chǎn)生伽馬射線。通過舉例，中子源206可以是電子中子源，例如 Minitron? 裝置(其可商購于 Schlumberger Technology Corporation),其可以通過氣核-氣核(d-D)、氣核-氣核(d-T)、氣核-氣核(t-T )或其它合適的反應(yīng)產(chǎn)生中子脈沖。因此，中子源206可以發(fā)射例如大約2MeV或14MeV的中子，或者發(fā)射具有寬能量范圍的中子，例如由連續(xù)中子源(如241AmBe或252Cf放射性同位素源)所獲得的那些。
[0039]在一些實施方案中，頻譜分析測井儀可以包含中子監(jiān)視器208，其可以監(jiān)視中子從中子源206的發(fā)射。通過舉例，中子源208可以是塑料閃爍器和光電倍增管，其主要探測直接從中子源206發(fā)射的非散射中子，且因此可以提供與來自中子源206的中子輸出速率的中子輸出率成比例的計數(shù)率信號。合適的中子監(jiān)視器的示例性但非限制性的實例在美國專利號6，884，994中描述，此專利通過援引加入的方式納入本文。
[0040]中子屏蔽210 (其可以包含例如鎢、鉛或硼)可以提供裝置用于大規(guī)模地防止來自中子產(chǎn)生器206的中子在內(nèi)部通過LWD模塊120朝向所述屏蔽210的另一側(cè)上的各種不同的福射-探測元件傳遞。合適的鶴屏蔽材料可商購于115ConstitutionBoulevard, Franklin MA020038的PLANSEE USA LLC。合適的硼屏蔽可以由多種源獲得且可以包含幾種不同形式的硼(例如金屬性硼(metallic boron)、B4C> BN以及其它形式的硼)。在一些實施方案中，使用由kiB同位素富集的硼且其可商購于Ceradyne，P.0.Box798,Quapaw 0Κ74363。
[0041]如圖3和4中所示，LWD模塊120可以包含兩個接近或并置的中子探測器，例如熱中子探測器212以及超熱中子探測器214。還可以包含兩個遠離的熱中子探測器216A和216B且其可以位于比中子探測器212和214距中子產(chǎn)生器206的間隔更遠處。例如，接近的中子探測器212和214可以與中子發(fā)生器206大約間隔10-14英寸，且遠離的中子探測器216A和216B可以與中子發(fā)生器206間隔18-28英寸。中子探測器可商購于TwinsburgOH 的 GE Reuter Stokes 以及 Houston, TX 的 Schlumberger Technology Corporation。
[0042]短間隔(SS)伽馬射線探測器218 (例如使用Nal、LaBr、或GSO的探測器)可以位于接近的中子探測器212和214與遠離的中子探測器216A和216B之間。長間隔(LS)伽馬射線探測器220可以位于超過遠離的中子探測器216A和216B處，位于比伽馬射線探測器218距中子產(chǎn)生器206更遠處。例如，SS伽馬射線探測器218可以與中子產(chǎn)生器206大約間隔10-22英寸，且LS伽馬射線探測器220可以與中子產(chǎn)生器206大約間隔24-38英寸。伽馬射線探測器可商購于 17900Great Lakes Parkway, Hiram 0H44234-9681 的 Saint-GobainCrystals。LWD模塊120的可選實施方案可包含更多或更少的上述的輻射探測器，但是通?？梢园辽僖粋€伽馬射線探測器。中子探測器212、214、216A、和/或216B可以是任意合適的中子探測器，例如3He中子探測器。為了探測主要的超熱中子，超熱中子探測器214可以被熱中子屏蔽圍繞，而熱中子探測器212、216A、和/或216B不被熱中子屏蔽圍繞。
[0043]伽馬射線探測器218和/或220可以是被中子屏蔽圍繞的閃爍探測器。例如，中子屏蔽可以包括6Li (例如碳酸鋰(Li2CO3)),其可以大體上屏蔽伽馬射線探測器218和/或220免于探測熱中子且沒有產(chǎn)生熱中子捕獲伽馬射線。當(dāng)來自中子產(chǎn)生器206的快中子非彈性地散射掉周圍地層的特定元素時，伽馬射線探測器218和220可以探測產(chǎn)生的非彈性伽馬射線。
[0044]來自伽馬射線探測器218和220的伽馬射線的計數(shù)率和能譜以及來自中子探測器212、214、216A、和/或216B的中子的計數(shù)率可以由數(shù)據(jù)處理電路200作為數(shù)據(jù)222來接收?？梢允瞧渌岬降脑蚪Y(jié)構(gòu)或者單獨的元件或結(jié)構(gòu)的一部分的數(shù)據(jù)處理電路200提供裝置用于接收數(shù)據(jù)222且執(zhí)行特定步驟或處理用以確定或估測周圍地層的一個或多個特性，例如地層礦物學(xué)和本文公開的其它特性。數(shù)據(jù)處理電路200可以包含處理器224、算法(用于執(zhí)行步驟用以實現(xiàn)所公開的目標(biāo)的步驟或指令；未示出)、記憶裝置(memory) 226、和/或存儲器(storage) 228。處理器224可以可操作地耦合到記憶裝置226和/或存儲器228且用于執(zhí)行本文中所公開的步驟或算法。本文公開的技術(shù)可以由處理器224和/或其它數(shù)據(jù)處理電路基于可由處理器224執(zhí)行的相應(yīng)的指令來執(zhí)行。上述的指令可以使用任何合適的制品來存儲，所述制品可以包含一個或多個有形的、計算機可讀的介質(zhì)用以至少集中(collectively)存儲這些指令。所述制品可以包含例如記憶裝置226和/或非易失存儲器228。記憶裝置226和非易失存儲器228可以包含任何合適的制品用于存儲數(shù)據(jù)和可執(zhí)行指令，例如隨機存取記憶裝置、只讀記憶裝置、可重寫閃存、硬盤、以及光盤。記憶裝置226和存儲器228在本文中總體地稱為數(shù)據(jù)存儲器。處理器的一個實例是在美國專利5，067，090 中描述的 Digital Equipment Corporation F1DP-1l 計算機之內(nèi)的處理器。其它的處理器可以是在通用計算機中使用的那些，其使用Windows XP、Windows Vista、以及Windows7尤其用于在地面處處理。適合用在隨鉆測井儀(drilling tool)中的處理器的具體實例有32位浮點處理器，例如Texas Instruments TMS320VC33DSP。
[0045]LffD模塊120可以將數(shù)據(jù)222傳送到數(shù)據(jù)處理電路200，例如通過在測井儀之內(nèi)的內(nèi)部連接、遙感勘測系統(tǒng)通信上行線路、和/或通信電纜。數(shù)據(jù)處理電路200可以確定或估測周圍地層的一個或多個特性。通過舉例，上述特性可以包含元素的捕獲伽馬射線的相對能譜產(chǎn)額或地層的元素濃度。此后，數(shù)據(jù)處理電路200可以輸出表明地層的頻譜分析測量的信息或報告230。報告230可以存儲在記憶裝置或存儲器中用于后期由電路200或由其它電路進行進一步處理，或者可以通過一個或多個輸出裝置(例如電子顯示器)提供給操作員。
[0046]在中子-捕獲頻譜分析中，將高能中子發(fā)射到圍繞測井儀的體積中，在此處它們損失能量且與環(huán)境達到熱平衡。在一些時間之后，這些“熱”中子被原子核捕獲，從而使得它們變得受激且用以發(fā)射具有特征能譜的伽馬射線。捕獲元素可以位于地層巖石中、地層孔隙空間中、井眼流體中、或在測井儀自身中?？梢宰R別與每一個元素有關(guān)的特征伽馬射線能譜，且分析總測量能譜用以取得每一個元素的相對貢獻。經(jīng)常，但不總是，受關(guān)注的元素是位于在地層中的那些。在元素——例如S1、Ca、Fe、S、T1、Gd、Mg、Al、K、以及Na——是與儲油層共有(common to)的有限組礦物的一部分用于確定或估測測井儀浸入其中的巖石的巖性學(xué)的假設(shè)下，將來自所述元素的能譜產(chǎn)額組合在一起且總體地分析。該組假設(shè)在現(xiàn)有技術(shù)中作為閉合模型(例如WALK閉合)已知，且可以更改標(biāo)準閉合模型用于特定的位置。中子-捕獲頻譜分析確定或估測的精確度涉及地層的實際元素組成(就是，組成所述地層的不同元素的存在與每一個元素的貢獻百分比)與從頻譜分析測井儀的測量取得的地層的元素組成之間的差別。
[0047]在一些實施方案中，背景產(chǎn)額可以由也在頻譜分析測井儀之內(nèi)找到的這些元素中的一個或多個所產(chǎn)生。因此，地層中這些元素的頻譜分析測量的精確度可以包含共同元素的背景產(chǎn)額的確定或估測以及那些背景產(chǎn)額的扣除。
[0048]一個背景源是來自測井儀自身之內(nèi)的鐵產(chǎn)額，其可以從總鐵中扣除以獲得巖石基質(zhì)鐵。背景鐵的扣除可以涉及將總測井儀背景分成兩個標(biāo)準能譜:鐵標(biāo)準能譜，其包含來自測井儀和巖石基質(zhì)兩者的貢獻；以及所稱的“測井儀背景”標(biāo)準能譜，其對應(yīng)于測井儀中除鐵之外的其它元素。假設(shè)測井儀中鐵與其它元素總和的比率是常數(shù)。因為這些其它元素一般不出現(xiàn)在通常的井下環(huán)境中，所以后一標(biāo)準是整體背景水平的主要指標(biāo)。
[0049]在一些實施方案中，圍繞測井儀的環(huán)境可以影響中子云的尺寸和形狀，且可以改變在測井儀自身、測井儀外部的巖石地層、鉆井泥漿以及類似物之內(nèi)熱化的中子的分數(shù)。地層的環(huán)境條件可能因井而異且在特定的井之內(nèi)還可以隨深度而變化。不同的地層環(huán)境參數(shù)的實例包括但不限于井眼尺寸、地層密度、井眼流體密度、巖石地層的含氫指數(shù)、地層的中子慢化長度、地層的熱中子俘獲截面西格瑪、或井眼流體的熱中子俘獲截面西格瑪。本公開描述用于確定環(huán)境對核頻譜分析測量的影響的幾個不同的方法和器械，以及用于確定在地層和測井儀(和/或鉆井泥漿或除了地層之外的其它材料)兩者中的一個或多個元素的存在。
[0050]用于背景扣除的變量算法(variable algorithm)
[0051]地層的頻譜分析測量或估測的精確度通過改善背景產(chǎn)額的扣除的精確度而部分增加。在測井儀的實施方案中，背景的一個來源是來自測井儀自身的鐵產(chǎn)額。在一些實施方案中，LWD工具或模塊，例如前文提到的那些，包含大量的鐵(S卩，由鋼制成)。類似地，一些電纜(WL)工具也包含大量的鐵(即，同樣由鋼制成)。在一些實施方案中，基質(zhì)鐵的精確測量或估測是有用的，因為用于確定或估測粘土體積的一些算法由巖石基質(zhì)中的鐵的量來驅(qū)動(driven)。用于確定或估測粘土體積的算法或方法論的實例在美國專利號5，786，595中描述。在一些實施方案中，對地層鐵基質(zhì)的測量或估測包括從能譜中的總鐵產(chǎn)額中扣除測井儀背景。
[0052]用于扣除背景鐵的一個方法可以包括首先使用頻譜分析測井儀測得關(guān)于地層的測井頻譜分析數(shù)據(jù)(例如前文描述的那些)，然后通過使用具有兩個標(biāo)準(特征伽馬-射線能譜)的總測井儀背景將測井儀背景扣除。所述兩個標(biāo)準能譜可以包含鐵標(biāo)準能譜，其包含來自測井儀和巖石基質(zhì)兩者的貢獻；以及所稱的“測井儀背景”標(biāo)準能譜，其對應(yīng)于測井儀中除鐵之外的其它元素。測井儀之內(nèi)的這些其它元素可以包括鉻、鎳、錳、鎢、來自探測器晶體之內(nèi)的元素、以及其它痕量貢獻。因為這些其它元素一般不出現(xiàn)在測井儀外部的通常井下環(huán)境中，所以可以使用來自鐵的伽馬-射線產(chǎn)額與來自其它測井儀元素的產(chǎn)額之和之間的恒定比率來表示整體背景水平，其隨著環(huán)境條件而不同。
[0053]測井儀背景鐵產(chǎn)額可以由關(guān)系式:
[0054]Fe 測井儀/TB Ek,
[0055]推出，其中TB表示“測井儀背景”標(biāo)準的產(chǎn)額，且k可以是通過實驗確定或估測的常數(shù)?？梢栽谕ǔ５臏y井環(huán)境中執(zhí)行上述的實驗，其可以使得能譜測井工具的k值為例如
0.55。但是，如果環(huán)境的改變引起測井儀背景產(chǎn)額由期待以外的不同元素混合所組成的話，這個值可能不太精確。在那種情況中，真實的鐵比率變成k以外的某值，且推出的或估測的基質(zhì)鐵測量(以及取得的粘土估測)是不太精確的。
[0056]在一些情況中，測井環(huán)境影響熱中子在測井工具周圍和內(nèi)部的空間分布。在一些情況中，且作為結(jié)果，測井儀背景的元素組成能譜可以取決于中子在測井儀之內(nèi)位于何處而不同地采樣。
[0057]由于前文提到的原因，捕獲原子核的可變位置還可以影響由發(fā)射的伽馬射線經(jīng)歷的衰減的程度。結(jié)合的結(jié)果是，來自背景鐵的伽馬射線產(chǎn)額與來自其它測井儀背景元素之間的比率可以偏離常數(shù)值k，且背景鐵的扣除的量不夠精確。本公開提供了對于給定環(huán)境而言更精確的k值，因而可以比現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)更精確地取得巖石基質(zhì)中的鐵量。
[0058]在一些實施方案中，可變背景鐵比率的問題可以通過參數(shù)化鐵比率作為環(huán)境條件的函數(shù)來解決，其中所述條件由可以在測井儀管柱中執(zhí)行的其它測量來確定或估測。在一些實施方案中，所述函數(shù)的形式和系數(shù)可以由頻譜分析測井?dāng)?shù)據(jù)、蒙特卡羅建模或其它建模方法而根據(jù)經(jīng)驗取得。
[0059]在一些實施方案中，這兩種方法可以結(jié)合在混合方法中，例如，使用蒙特卡羅模擬可以提供對環(huán)境特性的敏感性，其中所述特性原本難以僅僅由測井?dāng)?shù)據(jù)推出。適合用在本文描述的方法中的蒙特卡羅建模的示例性實例可以在Ellis和Singer的“Well Loggingfor Earth Scientists”第2版(Singer, 2007)中找到。對這些方法以及用于執(zhí)行所述方法的相應(yīng)的設(shè)備和系統(tǒng)的描述包括在下文的部分中。
[0060]由蒙特卡羅建模取得的自適應(yīng)鐵比率
[0061]在一些實施方案中，蒙特卡羅建?？梢杂糜谀M中子-捕獲頻譜分析測量和提取背景鐵比率對不同的環(huán)境參數(shù)的依賴性。所述建模可以采用分析來自MCNP的PTRAC輸出的MCNP5代碼和定制軟件(例如，Matlab)來執(zhí)行。還可以直接更改MCNP代碼用以提取需要的信息。MCNP5 代碼在例如來自 Los Alamos National Laboratory (2003)的 A GeneralMonte Carlo N-Particle Transport Code, Version5, LA-CP-03-0245 中描述。
[0062]可自蒙特卡羅模擬獲得的信息包含中子捕獲的空間位置和時間、在其上捕獲它的同位素和材料、在其產(chǎn)生處伽馬射線的統(tǒng)計權(quán)重(statistical weight)和能量、以及入射到探測器上的伽馬射線的統(tǒng)計權(quán)重和能量。由這個工作的模型產(chǎn)生的受關(guān)注的最終數(shù)量是由探測器測量的整組元素產(chǎn)額，其在整個能量通道和計時門(timing gate)的合適范圍上積分。
[0063]在一些實施方案中，蒙特卡羅模型可以用于產(chǎn)生測井環(huán)境的現(xiàn)實范圍的預(yù)測的鐵比率FewwiVTB的數(shù)據(jù)庫。所述比率的功能參數(shù)化通過對這些關(guān)于有用的環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)點的變化進行的分析進行提取。在這個實施方案中，可變環(huán)境參數(shù)包括地層的熱中子捕獲截面西格瑪(Σ f)、地層慢化長度(Ls)(其是用于描述熱區(qū)域之上的中子相互作用的參數(shù))或者含氫指數(shù)(HI)、地層密度(Pb)、井眼直徑(Dbh)以及鉆井泥漿的西格瑪值(Σ m)。在一些實施方案中，完整的數(shù)據(jù)庫可以具有超過1000個點。也可能具有其它的環(huán)境依賴性。
[0064]地層慢化長度Ls可以通過多種方法確定或估測。如果使用放射性同位素中子源，可以使用至少一個中子探測器或一個伽馬-射線探測器來測量Ls。或者，在不同的軸向空間(接近的探測器和遠離的探測器)處的熱探測器或超熱探測器可以用于從接近/遠離計數(shù)率的比率來確定或估測Ls (或含氫指數(shù))。在另一個方法中，可以使用接近的伽馬-射線探測器與遠離的伽馬-射線探測器之間的計數(shù)率比率，或者中子計數(shù)率與伽馬射線計數(shù)率之間的比率。如果中子源是電子源(連續(xù)的或脈沖的)，則除了上文的探測器之外，中子監(jiān)視器也可以用于確定或估測所述源的中子輸出。
[0065]可以認為井眼尺寸是被鉆頭鉆井的具有給定直徑的井孔的尺寸，或者更精確地它可以通過井眼尺寸測量獲得，其可以通過直接機械測徑器測量(用于電纜工具的)或像超聲測徑器、密度測徑器等尤其適用于LWD/MWD中的井眼尺寸測量的測量來獲得。地層密度可以通過傳統(tǒng)的伽馬-伽馬地層密度測量、中子-伽馬密度(NGD)、聲密度、以及很多其它的測量來獲得?？紫抖群?或含氫指數(shù)可以由密度測量(如果已知基質(zhì)密度和地層流體密度)來取得或由中子孔隙度測量來取得。地層和孔眼宏觀中子捕獲截面(西格瑪)的測量是工業(yè)中已知的且可通過測量誘導(dǎo)的(捕`獲)中子伽馬射線的衰減或測量中子總數(shù)的衰減來獲得。井眼西格瑪以同樣的方式獲得。這可以在電纜應(yīng)用中采用像Schlumberger Thermal DecayTime、Reservoir Saturation Tool 及 Accelerator Porosity Sonde 的工具以及在隨鉆測井應(yīng)用中米用Schlumberger EcoScope?工具來實現(xiàn)。
[0066]FewiVTB對每一個環(huán)境參數(shù)的功能依賴性可以通過對數(shù)據(jù)的肉眼觀察進行確定，或者可以使用統(tǒng)計方法例如響應(yīng)地面方法論。例如，且如上文所述，在一些情況中，由于地層西格瑪，鐵比率發(fā)生強的變化，其中大西格瑪值引起Fe?#e7TB的減??；通過肉眼觀察，這個依賴性可以通過遞減指數(shù)(decreasing exponential)或線性函數(shù)來建模?？梢蕴砑宇~外項用以確定其它環(huán)境依賴性。示例性能譜隨鉆測井工具中鐵比率的可行函數(shù)(viable function)具有如下形式:
[0067]k ( Σ f，Ls, P b, Dbh, Σ m) -C1
[0068]+c2.exp (-C4.(Dbh - C1)).(l_exp(-c3.( Σ f-C2)))
[0069]+C6.exp (_c5.(Dbh-C3) ).( Σ m_C4)[0070]+c7.(Ls-C8)2
[0071]+C9.(Pb-C5),
[0072]其中獨立變量分別是上文提到的五個環(huán)境特性，系數(shù) Cl、Cg、C3、。4、C5、Λ C7、
及C9是自由參數(shù)，其可以在最小二乘擬合中同時確定或估測，且系數(shù)C1X2X3X4以及C5是示例性能譜測井儀所特有的參數(shù)。
[0073]圖5示出了對地層西格瑪?shù)臄M合依賴性的實例，其它環(huán)境特性保持不變。圖6示出了針對慢化長度的相同參數(shù)化，且圖7說明了孔眼尺寸如何緩和對西格瑪所具有的依賴性的強度。這些圖的每一個均示出了總擬合數(shù)據(jù)庫的子集，且每一條曲線均表示上文給出的函數(shù)的一維投影。上文給出的指數(shù)函數(shù)中的每一個項均可以根據(jù)構(gòu)成測量基礎(chǔ)的中子輸運物理學(xué)來解釋。例如，隨著地層西格瑪增加，地層中熱中子的總體更快地被捕獲，這減小了它們擴散到能譜測井工具部分中的比率。來自地層的向內(nèi)擴散中子的減少引起測量的Fe?”TB比率的整體下降。這個行為與圖5中示出的行為相一致且在實驗中觀察到。慢化長度的變化使得熱中子的空間分布發(fā)生近似的改變，除有相反影響之外，因為大的Ls允許更多的中子進入探測器附近的鉆鋌中。
[0074]得到的函數(shù)是對測井儀背景鐵比率的環(huán)境依賴性參數(shù)化，且它可以代替常數(shù)k來執(zhí)行比現(xiàn)在可用的背景扣除更精確的背景扣除。在一些實施方案中，使用集成的能譜測井工具，環(huán)境的測量可以用于執(zhí)行實時的自適應(yīng)扣除?；蛘?，可以依賴常數(shù)比率k來實時得到回答，同時對環(huán)境變化的校正采用后續(xù)處理來完成。
[0075]蒙特卡羅建模的使用相對于用以校正元素(例如鐵)的實驗或數(shù)據(jù)驅(qū)動方法而言具有優(yōu)勢。雖然蒙特卡羅模擬是統(tǒng)計技術(shù)，但是蒙特卡羅模擬可以具有高的統(tǒng)計精度且無需面對實驗噪聲。模擬的數(shù)據(jù)因此具有對環(huán)境參數(shù)的敏感性，所述環(huán)境參數(shù)的影響太小以致于其不能僅僅從測井?dāng)?shù)據(jù)中提取，但是其仍然存在于真實測量中。建模的另一個優(yōu)勢是獨立地改變每一個受關(guān)注的環(huán)境特性的能力，無需引起其它參數(shù)的相關(guān)變化。
[0076]例如，在真實地層中，在沒有同時影響地層的密度和西格瑪?shù)那闆r下，改變孔隙度、慢化長度或含氫指數(shù)可能是困難的。相比之下，蒙特卡羅模擬提供對截面和材料組成的任意控制，從而可以設(shè)計在其中改變一個特性而其它特性保持不變的人造地層。這個方法在上文中使用。這個能力是有價值的，因為它使得可能探測環(huán)境的任意方面的單獨影響。
[0077]由測井?dāng)?shù)據(jù)而根據(jù)經(jīng)驗取得的自適應(yīng)鐵比率
[0078]取得可變鐵比率的另一個方法是經(jīng)驗方法，其中將受關(guān)注的測井儀的測井?dāng)?shù)據(jù)與獨立的數(shù)據(jù)相比較。為了取得具有足夠共性(generality)的函數(shù)，這些平行數(shù)據(jù)集應(yīng)該覆蓋環(huán)境變化的真實范圍且相關(guān)環(huán)境測量應(yīng)該可用。通常的想法是可以為鐵比率提供具有一個或多個未知系數(shù)的依賴環(huán)境的函數(shù)，且在迭代過程中調(diào)整那些系數(shù)直到來自受關(guān)注的測井儀的巖石基質(zhì)數(shù)據(jù)最接近地匹配獨立的、目標(biāo)數(shù)據(jù)集。系數(shù)的調(diào)整可以通過擬合程序(fitting routine)手工或自動地執(zhí)行。每一次迭代之后,每一個測量點的鐵比率的新值可以用于重新計算巖石基質(zhì)數(shù)據(jù)。
[0079]作為具體的實例，經(jīng)驗方法可以用于裸眼井，其中不同類型的能譜測井工具的數(shù)據(jù)是可用的。具有更簡單材料組成和更簡單構(gòu)造的測井儀可以具有更少的背景扣除困難。盡管兩個不同測井儀設(shè)計的元素產(chǎn)額之間不可直接比較，但是可以比較重量濃度的最終偏差(derivation)，且特別是巖石基質(zhì)鐵的重量濃度的最終偏差。將較簡單的測井工具(例如電纜工具)的數(shù)據(jù)進行處理，其中使它的基質(zhì)產(chǎn)額通過閉合模型(例如WALK2，盡管不是必須的)用以產(chǎn)生表示目標(biāo)數(shù)據(jù)的凈重元素濃度。與此同時，這些數(shù)據(jù)是來自隨鉆測井頻譜分析工具的數(shù)據(jù)集，其包含來自頻譜分析和眾多環(huán)境測量的元素產(chǎn)額。這些比較可用于幾個井，覆蓋寬范圍的相關(guān)環(huán)境條件且總計超過10000英尺。不使用常數(shù)鐵比率k，可以用一個或多個環(huán)境測量的函數(shù)來代替。
[0080]圖8是由電纜工具與隨鉆測井工具產(chǎn)生的具有標(biāo)稱背景扣除的基質(zhì)鐵重量濃度之間的差別的實例，示例說明了它對地層西格瑪?shù)囊蕾囆?。地層西格瑪?shù)木€性函數(shù)是經(jīng)驗數(shù)據(jù)的可行選擇:
[0081]
【權(quán)利要求】
1.使用核頻譜分析測井儀估測地層情況的方法，包括: 將包含中子源和至少一個用于伽馬射線的探測器的核頻譜分析測井儀放置到井眼中； 將中子從所述核頻譜分析測井儀發(fā)射到臨近所述測井儀的地層中，從而使得所述中子中的一些可以從所述地層中產(chǎn)生伽馬射線，所述中子中的一些可以從所述核頻譜分析測井儀中的元素中產(chǎn)生伽馬射線，且所述中子中的一些可以從鉆井泥漿中的元素中產(chǎn)生伽馬射線.采用所述測井儀探測由發(fā)射的中子誘導(dǎo)的伽馬射線的能譜； 使用包含至少兩個子-標(biāo)準的標(biāo)準能譜的組合對探測的伽馬射線能譜進行分析，其中所述子-標(biāo)準表示共同元素或元素組且其基于中子相互作用的不同位置進行區(qū)分；以及 使用所述經(jīng)分析的探測的伽馬射線能譜估測所述地層的情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述中子源包括電子中子發(fā)生器或化學(xué)源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述中子相互作用是與所述地層、所述測井儀中的元素和/或所述鉆井泥漿中的元素進行的非彈性或輻射捕獲相互作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述核頻譜分析測井儀在其材料組成方面具有空間非均質(zhì)性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述核頻譜分析測井儀包括電纜工具，其具有通過或沿著所述電纜工具延伸的弓形彈簧；或隨鉆測井工具，其適應(yīng)鉆井泥漿通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少兩個子-標(biāo)準表示來自測井儀背景的元素的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少兩個子-標(biāo)準表示由在核頻譜分析測井儀的不同部分中的中子熱化所產(chǎn)生的伽馬射線能譜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述核頻譜分析測井儀包括隨鉆測井工具，且所述至少兩個子-標(biāo)準分別表示由在所述核頻譜分析測井儀之內(nèi)熱化的中子產(chǎn)生的伽馬射線和由在所述核頻譜分析測井儀之外熱化的中子產(chǎn)生的伽馬射線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述至少兩個子-標(biāo)準包含第一子-標(biāo)準，其表示由在流動導(dǎo)管內(nèi)部的鉆井泥漿之內(nèi)熱化的中子產(chǎn)生的伽馬射線；和第二子-標(biāo)準，其表示由在周圍井眼或巖石地層中熱化的中子產(chǎn)生的伽馬射線。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少兩個子-標(biāo)準中的每一個包括在所述核頻譜分析測井儀之內(nèi)發(fā)現(xiàn)的至少兩個元素的不同組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述至少兩個子-標(biāo)準中的每一個包括Fe、Cr、N1、Mn、W、Co以及Mo的不同組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少兩個子-標(biāo)準中的每一個表示共同的單個元素且按所述地層中、所述井眼中、或所述核頻譜分析測井儀中起源的區(qū)域進行區(qū)分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述區(qū)分包括將由所述至少兩個子-標(biāo)準中的每一個表示的伽馬射線衰減進行比較。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述標(biāo)準能譜包括一個標(biāo)稱能譜標(biāo)準和表示所述標(biāo)稱標(biāo)準與剩余的多個子-標(biāo)準之間的差別的一個或多個“差別”標(biāo)準。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中取得所述標(biāo)準能譜從而使得其線性組合為所述單個元素提供整體能譜形狀的近似值。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述單個元素是氫，且所述子-標(biāo)準分別表示所述地層中的氫和所述井眼泥漿中的氫。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述單個元素是氯，且所述子-標(biāo)準分別表示所述地層中的氯和所述井眼泥漿中的氯。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括使用蒙塔卡羅建模和實驗測量中的一個或多個，用以產(chǎn)生至少一個存儲的標(biāo)準能譜，其中所述實驗測量設(shè)計為將起源于不同空間區(qū)域中的伽馬射線進行隔離 。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中估測所述地層情況包括估測所述地層的組成。
20.用于估測地層情況的核頻譜分析測井儀，包含: 中子源，其將中子發(fā)射到臨近所述測井儀的地層中，從而使得所述中子中的一些可以從所述地層中產(chǎn)生伽馬射線，所述中子中的一些可以從所述核頻譜分析測井儀之內(nèi)的元素中產(chǎn)生伽馬射線，且所述中子中的一些可以從鉆井泥漿中的元素中產(chǎn)生伽馬射線； 伽馬射線探測器，其探測由發(fā)射的中子誘導(dǎo)的伽馬射線的能譜；以及 數(shù)據(jù)處理電路，其使用包含至少兩個子-標(biāo)準的標(biāo)準能譜的組合對探測的伽馬射線能譜執(zhí)行分析，其中所述子-標(biāo)準表示共同元素或元素組且其基于中子相互作用的不同位置進行區(qū)分，以及使用所述分析估測所述地層情況。
【文檔編號】G01V5/10GK103748486SQ201280034559
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月24日
【發(fā)明者】J·A·格勞, J·邁爾斯, M·貝雷德 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司