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专利名称：使用中子伽玛射线测量结果确定地下地层的密度的方法
技术领域：
本发明涉及使用中子伽马射线测量结果确定地下地层的密度。特别是，本发明提供用于分析中子伽玛射线测量结果的技术，该测量结果与围绕油气工业中使用的类型的井眼的地下地层相关。
背景技术：
已知许多技术用于特征化围绕井眼的地层的性质。典型地，将包括信号源的工具主体放置在井眼中并且源用于询问地层。测量回到工具主体的信号并且计算感兴趣的参数。在工具主体紧贴井眼壁的地方，信号实质上仅通过围绕井眼的地层并且因此能够用于以直接的方式推导感兴趣的性质。然而，在工具主体与井眼壁之间存在空间(有时称作‘间隙(standoff)’)的地方，因为信号在进入地层或从地层返回到工具主体之前通过井眼的内含物(content)，所以引起了问题。从而井眼的内含物将对信号具有影响，并且必须去除此影响或补偿此影响，以确定感兴趣的地层性质，井眼的内含物典型地为流体。补偿井眼影响的一个公知的方法是在距源不同的距离对返回信号进行两次测量。 在典型的测量的尺度上，间隙和井眼影响在近和远的测量位置之间基本上不变化，使得两个测量之间的唯一差异归因于地层中信号路径的差异，并且因此感兴趣的地层性质的差
已地层密度的测量是一种特征化围绕油气井等的地下地层的公知方式。存在能够用于做这件事的许多基于核测量的技术。最通常的技术是伽玛-伽玛密度测井，其中，从工具主体中的例如发射0. 66MeV的伽玛射线的137Cs的伽玛射线源辐照地层。伽玛射线通过地层，经历与地层的成分的相互作用并返回到井眼，在井眼处探测通量。于是能够分析这个以确定地层密度。此技术已经用于深井开凿和LWD应用，用于测井。为了补偿井眼影响，经常使用上述双探测器途径。US4^7575描述了伽玛-伽玛密度测井方法。因为伽玛-伽玛密度测井提供体地层密度，并且地下地层典型地为多孔的，所以已经提出了将伽玛-伽玛密度测井与中子孔隙率(porosity)测量进行组合。在中子孔隙率测井中，利用来自化学源或加速器源的高能中子辐照地层，化学源例如是产生4MeV的中子的241AmBe,加速器源例如是产生14MeV的中子的脉冲D-T加速器。随着它们通过地层，它们与孔隙流体中的氢核相互作用，散射并损失能量。散射的中子回到工具主体中被探测并且能够被分析以确定氢的量，并且因此确定地层的孔隙率。中子孔隙率测量能够与伽玛-伽玛密度测量组合以确定岩层基质的密度，如W02007/149869中描述的。再次，已经采用了双探测器补偿技术来处理井眼影响。更近地，已经研发了用于基于利用高能中子的辐照来确定地层密度的技术。中子将由地层散射，取决于地层密度。从而，测量返回中子能够用于获得地层密度的一些确定 (中子-中子密度)。然而，这能够受到来自地层的孔隙率的多个干扰作用的影响。中子辐照也能够导致中子的非弹性散射，伴随伽玛射线的生成。这些伽玛射线能够用于密度确定方法中(中子伽玛密度)。在此情况下，地层有效地用作伽玛射线的次级源，根据该次级源能够确定密度。W096/08733、US5608215、和US2009/(^6359公开了用于密度确定的中子-中子和中子-伽玛技术。存在用于分析双间距(dual spaced)核测量的两种通常的技术。在一种技术中， 使用在两个探测器间距测得的信号的简单的交会图或比率并且将其与来自已知地层的校准的数据进行比较。此途径通常用于中子-中子孔隙率和密度以及中子-伽玛密度中。另一技术称作脊肋(spine and rib)处理并且用于伽玛-伽玛密度上。此途径基于在两个探测器间距的测量的交会图的确定和归因于工具间隙而与此交会图的偏离的确定，交会图 (脊)和偏离(肋)的交点用于确定地层密度。此途径的范例能够在以上引用的文献中找到。此发明基于如下认识，脊肋途径能够应用于中子-伽玛密度技术中，即使测量所基于的基本过程(归因于中子辐照在地层中产生伽玛射线)基本与依赖于利用已知能量的伽玛射线进行直接辐照的伽玛-伽玛密度技术所基于的过程基本不同。

发明内容
此方法提供一种根据对伽玛射线的测量结果和对伽玛射线通量的测量结果来确定围绕井眼的地下地层的密度的方法，所述伽玛射线源自位于所述井眼中的工具主体中的核源对所述地层的辐照，所述伽玛射线通量为所述工具主体中距所述源两个不同探测器间距处的伽玛射线通量，所述方法包括-对无间隙的工具主体，确定在每个不同探测器间距处的伽玛射线通量测量结果之间的关于所述地层的密度的基本直线的关系；-确定定义根据在所述两个不同探测器间距处测得的伽玛射线通量测量结果确定的密度相对于根据所述直线关系计算的密度的偏离关于工具间隙的关系；以及-对于在所述不同探测器间距处的给定对的伽玛射线通量测量结果，确定定义所述偏离的所述关系与所述直线关系的交点，以便指示围绕所述井眼的所述地层的密度，其中，所述源是中子源，并且在所述工具主体中测得的所述伽玛射线是从对所述地层的中子辐照得到的中子诱发的伽玛射线。其中，在所述工具主体中距所述源两个不同的探测器间距处测量来自所述地层的中子通量，所述方法能够包括针对地层中的中子输运的影响，使用所述中子通量测量结果来校正所述伽玛射线通量测量结果。所测得的伽玛射线通量能够包括从中子与所述地层的成分之间的非弹性相互作用得到的伽玛射线。如果使用中子生成器来生成初始中子，则对中子通量的确定需要使用诸如中子监视器的装置来确定来自中子生成器的初始中子通量。如果使用化学源，则能够通过校准来确定初始通量。能够根据关系P = a-bXln(net-inel/F(n))来针对在一间距处的伽玛射线通量测量结果计算密度，其中，a和b为实验推导的常数，net-inel为位于讨论的所述间距处的伽玛射线探测器处测得的净非弹性伽玛射线通量，并且F(n)为对应的中子探测器测得的中子通量η的函数。对于给定对的通量测量结果，能够根据关系Pb= Pls+Δ ρ，通过使用最靠近所述源的通量测量结果来校正针对最远离所述源的所述通量测量结果确定的密度来计算密度，其中，Pb为所述地层的密度，P β为根据最远离所述源的所述通量测量结果计算的密度，以及Δ ρ是密度的归因于间隙的偏离。能够根据以下形式的关系Δ ρ =A(Pls-Pss) +B (P B-Pss) 2+C( P κ Pss)3+…来计算Δ p，其中，Pss是根据最靠近所述源的所述通量测量结果计算的密度，且Α、B、C、…为实验推导的常数。本发明的第二方面提供一种用于确定围绕井眼的地层的密度的设备，所述设备包括-位于所述井眼中的工具主体；-所述工具主体中的用于辐照所述地层的中子源；以及-位于所述工具主体中的距所述中子源对应的第一和第二间距处的第一和第二探测器；其中，所述第一和第二探测器布置为探测从对所述地层的中子辐照得到的伽玛射线，所述设备还包括处理系统，用于-对无间隙的工具主体，确定在每个不同探测器间距处的伽玛射线通量测量结果之间的关于所述地层的密度的基本直线的关系；-确定定义从在所述两个不同探测器间距处测得的伽玛射线通量测量结果确定的密度相对于根据从所述直线关系计算的密度的偏离关于工具间隙的关系；以及-对于在所述不同探测器间距处的给定对的伽玛射线通量测量结果，确定定义所述偏离的所述关系与所述直线关系的交点，以便指示围绕所述井眼的所述地层的密度。所述设备优选地根据本发明的第一方面的方法进行操作。根据以下描述，本发明的另外的方面将是明显的。


图1示出了用于井眼补偿的双探测器系统的图示；图2示出了中子-伽玛密度工具的示意图；图3示出了长间距伽玛射线测量与密度的关系的图；图4示出了根据本发明确定的脊肋图；以及图5示出了肋校正的图。
具体实施例方式图1示出了包括用于对地层测量进行井眼补偿的双探测器系统的井眼工具的图示。此工具架构用于本发明所应用的工具。在此系统中，工具主体10(于此示为悬挂于井眼中的深井开凿(Wireline)工具，但是也能够是LWD工具)安置于井眼中，在该主体与井眼壁之间具有间隙(standoff)。工具包括源和在距源12分别短和长探测器间距处的探测器14和16，源例如是核源(在本发明的情况下为脉冲高能中子源，例如D-T 14MeV的源，但是伽玛射线源也是可能的)。使用中，从源12传递至短间距探测器14的信号将与井眼间隙d相交两次并且将经过长度X的地层路径。传递至长间距探测器16的对应信号将与井眼间隙d相交两次并且将经过X+Y的地层路径长度。两个信号之间的差异仅归因于额外的地层路径长度Y，所以从长间距信号减去短间距信号将给出差，该差实质上仅归因于地层性质，而无源自间隙的任何井眼影响。虽然这是补偿井眼影响的双探测器途径的简化解释，但是其给出了本发明中使用的基本技术和途径。图2示出了用于中子-伽玛密度测量的通用工具。工具主体20包括形成钻柱(未示出)的部分的LWD工具。工具主体20安置于井眼22中，在工具主体与井眼壁/地层M 之间具有间隙d。因为其是钻孔工具，所以井眼中工具主体20的运动能够意指间隙能够是零与工具直径和井眼直径之间的差的最大值之间的任何距离(当工具在一侧与井眼壁接触时)。从而，归因于间隙而对测量的任何井眼影响将变化。14MeV的加速器中子源沈安装于工具主体20中。中子探测器观安装于与源沈间隔开并配置为探测超热中子的工具主体22中。伽玛射线探测器30位于主体20中不同间距处。使用中，源以高能中子32的脉冲辐照地层M。这些以两种主要方式与地层M的成分相互作用。其中一种方式是，中子经历弹性散射，损失能量于地层并以较低的超热能返回到井眼，在井眼处它们由中子探测器观探测。另一种方式是，中子经历非弹性散射，导致伽玛射线34的形成。这些伽玛射线传播通过地层，与地层成分的电子相互作用并且从而受到地层密度的影响。在伽玛射线探测器30处探测返回到井眼的伽玛射线。在工具中，在表面处，或者既在工具中也在表面处，处理探测器的输出，以根据测量结果推导地层的性质。如根据以上描述清楚的，中子伽玛密度测量基于在探测器处对中子诱发的伽玛射线的探测，探测器放置在远离中子源处。探测器处的伽玛射线通量受到至伽玛射线产生中子相互作用的点的中子输运和伽玛射线从它们的起点至伽玛射线探测器的随后的输运的影响。为了消除热中子影响对答案(answer)的影响，仅测量高能中子产生的非弹性伽玛射线。减去来自中子捕获的背景。中子探测器的输出用于解释产生非弹性伽玛射线的中子的输运影响。实际上，双探测器系统将用于补偿井眼影响。这将包括短和长间距的伽玛射线测量结果SS、LS ；和近和远中子测量结果Near和Far。因为井眼中的流体的密度通常与地层密度不同，所以将引起归因于间隙的井眼影响。因此，如果流体密度比地层密度低，则具有间隙时测得的密度将相应地比真实地层密度低，并且反之亦然。能够通过使用以下等式对短间距和长间距密度计算中子-伽玛密度响应。P ss = ass-bssln (SSnet-inel/F (Near))ρ LS = aLS-bLSln (LSnet-inel/F (Far))其中，SSnet-inel =短间距探测器中的净非弹性计数率LSnet-inel =长间距探测器中的净非弹性计数率Near =来自近间距中子探测器的计数率Far =来自远间距中子探测器的计数率并且，函数形式F选择为对密度产生线性依赖关系，如图3中针对长间距密度P。 所示。此图示出了根据长间距探测器计算的脊(无工具间隙)。能够根据短间距探测器P ss 得到脊的类似图。通常，函数形式F将不同地依赖于对用于补偿中子输运影响的中子探测器的选择。使用近和远中子探测器的前述途径的替代实施例是使用来自单个探测器的计数率用于Pu和Pss，使用针对相应探测器的两个不同函数F。中子探测器不限于超热中子探测器。能够使用快、超热或热中子的探测器，或其组
I=I O
能够在Wahl，J. S.、Tittman, J.、Johnstone, C. W.以及 Alger，R. P.在 Thirty-ninth SPE Annual Meeting(1964)上陈述的"The Dual Spacing Formation Density Log，，中并且在 Tittman， J.禾口 Wahl， J.S.的"The Physical Foundations of Formation Density Logging(伽玛-伽玛)"(Geophysics，Vol. 30，1965)中找到适合于本发明的脊肋处理的合适形式的细节。在脊肋技术中，长间距密度P μ用于初始(primary)密度测量结果，因为源自间隙的井眼影响对整个测量响应有最小的贡献，而短间距密度P ss用于针对工具间隙校正长间距密度，因为源自间隙的井眼影响对整个测量响应有较大的贡献。使用以下表达式校正长间距密度Ptrue= P LS+Δ P 等式(1)其中，校正项Δ ρ典型地由以下表达式给出Ap = A ( P LS- P ss) +B ( P LS- P ss) 2+C ( P LS_ P ss)3+…等式(2)使得Pb=P ls+A (Pls-P ss) +B (Pls-P ss) 2+C ( P ls_ P ss) 3+…等式(3)其中，P β和P ss分别是长和短间距密度，P b是校正密度，且A、B、C是根据在已知条件下对响应进行特征化而得到的常数。图4示出了脊肋图。脊S包括以短Pss和长间距P。测得的密度的交会图。肋R 是归因于间隙而从此直线的偏离△ P。在示出的范例中，流体或泥浆密度Pmud低于地层密度Pb，这意味着长间距密度P μ和短间距密度Pss读数均低于真实密度Pb。然而，短间距密度Pss将受到间隙更大的影响，并且从而交会图测量点将位于脊的真实密度点Pb的左边(并且因此在线以上)。长间距密度P μ读数比真实密度Pb低Δ ρ的量。通过施加以上给出的校正，能够确定真实密度Pb。如果ρ mud比地层密度P b高，则短和长间距密度P ss、P LS读数比真实密度P b高 (即在脊的右边和下边)并且在相反指向上(opposite sense)施加校正。图4中，肋脊在两个点相交。在较低点，其指示极大的间隙并且从而示出了 Pmud。 较上交点在Pb处。等式⑵和(3)中的常数A与图4中所示的脊和肋之间的角度相关。附加项包括在校正中，以解释肋的弯曲。从而使用长和短间距密度之间的差异来测量工具间隙以针对间隙校正长间距密度。图5示例作为短和长间距密度P LS-PSS的差的函数的校正项Δ ρ。密度比地层密度大的泥浆中的间隙产生正的△ P值(右手侧)，而密度比地层密度小的泥浆中的间隙给出负的Δ ρ值(左手侧)。能够在本发明的范围内改变上述途径。与其它技术相比，使用本发明的脊肋技术来校正工具间隙存在若干个优点。存在试图利用长和短间距探测器通量的比率来校正工具间隙的方法。这些技术通常导致对工具间隙的仅部分校正。即通量的比率仍然呈现出显著的残余工具间隙影响，需要其它方式的进一步的校正，通常需要关于测井环境的附加和或许不可用的信息。使用短和长间距响应的简单交会绘图的技术直觉上是吸引人的，但是受到以下方面的影响a)需要已知条件下工具响应的非常大的数据库的实际；b)当测井期间遇到的条件不在数据库点附近时，需要精确的和通常非常复杂的插值方案；以及c)当在测井期间遇到落在在已知条件下确定的响应数据库“地图”外的响应时，不能产生合理的答案。
权利要求
1.一种根据对伽玛射线的测量结果和对伽玛射线通量的测量结果来确定围绕井眼的地下地层的密度的方法，所述伽玛射线源自位于所述井眼中的工具主体中的核源对所述地层的辐照，所述伽玛射线通量为所述工具主体中距所述源两个不同探测器间距处的伽玛射线通量，所述方法包括-对无间隙的工具主体，确定在每个不同探测器间距处的伽玛射线通量测量结果之间的关于所述地层的密度的基本直线的关系；-确定定义根据在所述两个不同探测器间距处测得的伽玛射线通量测量结果确定的密度相对于根据所述直线关系计算的密度的偏离关于工具间隙的关系；以及-对于在所述不同探测器间距处的给定对的伽玛射线通量测量结果，确定定义所述偏离的所述关系与所述直线关系的交点，以便指示围绕所述井眼的所述地层的密度，其中，所述源是中子源，并且在所述工具主体中测得的所述伽玛射线是从对所述地层的中子辐照得到的中子诱发的伽玛射线。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述工具主体中距所述源两个不同的探测器间距处测量伽玛射线通量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在所述工具主体中距所述源两个不同的探测器间距处测量来自所述地层的中子通量，所述方法包括针对至所述中子诱发的伽玛射线的起始点的中子输运的影响，使用所述中子通量测量结果来校正所述伽玛射线通量测量结果。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所测得的伽玛射线通量包括从中子与所述地层的成分之间的非弹性相互作用得到的伽玛射线。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，对伽玛射线通量的测量包括测量从中子与所述地层的成分之间的捕获反应得到的伽玛射线。
6.如权利要求5所述的方法，包括测量从热中子捕获反应得到的伽马射线。
7.如任一前述权利要求所述的方法，还包括在所述工具主体中距所述源两个不同的探测器间距处测量来自所述地层的中子通量。
8.如权利要求7所述的方法，其中，根据关系P=a-bXln(net-inel/F(n))来针对在一间距处的伽玛射线通量测量结果计算密度，其中，a和b为实验推导的常数，net-inel为位于讨论的所述间距处的伽玛射线探测器处测得的净非弹性伽玛射线通量，并且F(n)为针对相应的中子探测器测量的中子通量。
9.如任一前述权利要求所述的方法，其中，对于给定对的通量测量结果，根据关系Pb =Pls+Δ P，通过使用最靠近所述源的通量测量结果来校正针对最远离所述源的所述通量测量结果确定的密度来计算密度，其中，Pb为所述地层的密度，Pu为根据最远离所述源的所述通量测量结果计算的密度，以及△ P为由于间隙而造成的密度的偏离。
10.如权利要求9所述的方法，其中，根据以下形式的关系ΔP = A(Pls-Pss)+B(Pls 1%尸+(&『0%)3+丨来计算Δ p，其中，Pss是根据最靠近所述源的所述通量测量结果计算的密度，且Α、B、C、…为实验推导的常数。
11.一种用于确定围绕井眼的地层的密度的设备，所述设备包括-位于所述井眼中的工具主体；-所述工具主体中的用于辐照所述地层的中子源；以及-位于所述工具主体中的距所述中子源对应的第一和第二间距处的第一和第二探测器；其中，所述第一和第二探测器布置为探测从对所述地层的中子辐照得到的伽玛射线， 所述设备还包括处理系统，用于-对无间隙的工具主体，确定在每个不同探测器间距处的伽玛射线通量测量结果之间的关于所述地层的密度的基本直线的关系；-确定定义根据在所述两个不同探测器间距处测得的伽玛射线通量测量结果确定的密度相对于根据所述直线关系计算的密度的偏离关于工具间隙的关系；以及-对于在所述不同探测器间距处的给定对的伽玛射线通量测量结果，确定定义所述偏离的所述关系与所述直线关系的交点，以便指示围绕所述井眼的所述地层的密度。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述处理系统被配置为执行如权利要求1-10中的任一项所述的方法。
全文摘要
一种根据对伽玛射线的测量结果和对伽玛射线通量的测量结果来确定围绕井眼的地下地层的密度的方法，所述伽玛射线源自位于所述井眼中的工具主体中的核源对所述地层的辐照，所述伽玛射线通量为所述工具主体中距所述源两个不同探测器间距处的伽玛射线通量，所述方法包括对无间隙的工具主体，确定在每个不同探测器间距处的伽玛射线通量测量结果之间的关于所述地层的密度的基本直线的关系；确定定义根据在所述两个不同探测器间距处测得的伽玛射线通量测量结果确定的密度相对于根据所述直线关系计算的密度的偏离关于工具间隙的关系；以及对于在所述不同探测器间距处的给定对的伽玛射线通量测量结果，确定定义所述偏离的所述关系与所述直线关系的交点，以便指示围绕所述井眼的所述地层的密度，其中，所述源是中子源，并且在所述工具主体中测得的所述伽玛射线是从对所述地层的中子辐照得到的中子诱发的伽玛射线。
文档编号G01V5/10GK102428392SQ201080021375
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月14日 优先权日2009年4月17日
发明者M·埃文斯 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司