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专利名称：用于脉冲中子俘获西格马反演的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及测井，更具体地说，涉及通过脉动中子俘获数据的分析来表征钻孔周围的地下地层。
背景技术：
脉动中子俘获反演是围绕绝对最小值有许多局部最小值的非线性问题。Neuman脉动中子衰变(PNC)方法在过去已被用于反演PNC衰变曲线。这种方法涉及把工具所产生的这些衰变曲线拟合到双指数响应模型。根据拟合的参数，能够确定钻孔和地层两者的西格马。然后，西格马可被用于确定岩石物理属性，诸如蒸汽饱和度、水饱和度或者伪孔隙度。然而，拟合这些曲线并不是一件简单的事情，因为数据会具有差的信噪比，尤其是在后期(500 μ s之后)。在这个时段中，地层信号趋于主导钻孔信号。除了计算西格马值，Neuman方法还计算基于PNC的密度和孔隙度指示。这些反演都使用西格马信息来产生估计。Neuman码还被用于绘制PNC数据和结果拟合曲线。这允许用户可视地检查拟合。因为低的信噪比，拟合例程常常会“锁定到”坏的拟合。可视地检查曲线允许用户确定西格马值是统计离群值还是仅仅是坏的拟合。Neuman方法使用Newton-Raphson方法来优化拟合实测数据到反演模型。这种方法对于具有信号最小值的问题工作良好，但是在处理噪声数据时会遇到麻烦。该方法会收敛到是许多局部最小值之一但并不是绝对最小值的解，其中绝对最小值将表征“最佳”拟合。结果就是源自这种处理的绘制测井记录可能包含大的尖峰或者由于未收敛到绝对最小值而引起的离群值。给出以上问题，所需要的是一种用于反演脉动中子俘获衰变曲线的改进方法和系统。

发明内容
根据本公开内容的一些方面，公开了一种从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的计算机实现的方法。该方法包括:选择由被置于穿过岩石地层的钻孔下面的脉动中子仪收集的能谱，该能谱包括俘获交互和无弹性交互；以及由与包括指令的计算机可读介质通信的处理器进行模拟，当所述指令被执行时，使处理器利用非线性模型来选择能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。在有些方面，非线性模型可包括单纯形模型，例如Nelder-Mead单纯形模型。可以使用的一种Nelder-Mead单纯形模型是多顶点单纯形,例如五(5)顶点单纯形。在有些方面，非线性模型可以包括模拟退火模型。在有些方面，可以利用有关钻孔和岩石地层的多指数非线性模型来获得西格马值。多指数模型可以基于包括与钻孔相关联的幅值、与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值、与钻孔相关联的中子衰变速率以及与岩石地层相关联的中子衰变速率的参数。非线性模型可以基于有关与钻孔相关联的幅值、与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值、与钻孔相关联的中子衰变速率以及与岩石地层相关联的中子衰变速率的初始估计。在有些方面，储层属性可以包括岩石物理属性，包括孔隙度、饱和度和/或气/水-气/油接触。储层属性还可以包括有关岩石地层的商业开采的属性，其中有关商业开采的属性包括产油层。可以基于钻孔和岩石地层中的中子衰变速率而获得西格马值。可以根据对应于从来自选定能谱的数据在中子衰变曲线上选择的四个点的参数C1至(；和至t4来确定初始估计，其中C1至C4和至t4分别是中子衰变计数和中子衰变时间，Abh是与钻孔相关联的幅值，Afm是与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值，Tbh是与钻孔相关联的中子衰变速率，而Tfm是与岩石地层相关联的中子衰变速率。根据本公开内容的有些方面，公开了一种用于从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的计算机实现的系统。该系统可以包括与其中存储了指令的存储器通信的处理器，当所述指令被执行时，处理器被布置成:选择由被置于穿过岩石地层的钻孔下面的脉动中子仪收集的能谱，该能谱包括俘获交互和无弹性交互；利用非线性模型来模拟选择的能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。根据本公开内容的有些方面，公开了一种用于从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的系统。该系统可以包括:可位于穿过岩石地层的钻孔中的脉动中子仪，该脉动中子仪被布置成生成进入钻孔和岩石地层的中子；可位于钻孔中的检测器，该检测器被布置成检测衰变中子的能谱，其中，所述能谱包括俘获交互和无弹性交互；以及与其中存储了指令的存储器通信的处理器，当所述指令被执行时，所述处理器被布置成利用非线性模型来模拟所述能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。在有些方面，所述处理器可被配置成构造衰变曲线并且基于检测的能谱来确定衰变速率的估计。当参考附图考虑以下描述与所附权利要求时，本发明的这些与其它目标、特征和特性，及操作方法与结构和部件组合的相关元件的功能和制造的经济性，都将变得更加显然，所有这些都构成本说明书的一部分，其中相同的标号在各个图中都指定对应的部分。但是，应当明确地理解，附图仅仅是为了说明和描述，而不是要作为本发明限制的定义。如在本说明书和权利要求中所使用，除非上下文清楚地另外指出，否则单数形式“一”、“一个”和“这个”也包括复数的所指对象。


图1示出了根据本公开内容的一些方面，位于穿透地球的钻孔中的测井工具的示例性实施方式。图2是根据本公开内容的一些方面,用于两维Nelder-Mead单纯形的起始单纯形。图3示出了图2的单纯形的反射。图4示出了图2的单纯形的扩张。图5示出了图2的单纯形的外部收缩。图6示出了图2的单纯形的内部收缩。图7示出了用于图2的单纯形的缩小操作。图8示出了根据本公开内容的一些方面，用于模拟退火的例子表示。图9示出了根据本公开内容的一些方面，具有来自两个指数的贡献的例子衰变曲线。
图10示出了根据本公开内容的一些方面的另一个例子衰变曲线。图11示出了根据本公开内容的一些方面的用于情况I的结果。图12示出了根据本公开内容的一些方面的用于情况2的结果。图13示出了根据本公开内容的一些方面的用于情况3的结果。图14示出了根据本公开内容的一些方面的退火时间和x2的比较。图15示出了使用Newton-Raphson方法(现有技术)和根据本公开内容的一些方面的单纯形方法得到的西格马测井记录的比较。图16示出了使用Newton-Raphson方法(现有技术)和根据本公开内容的一些方面的模拟退火方法得到的西格马测井记录的比较。
具体实施例方式图1示出了位于穿透地球3的钻孔3中的测井工具10的示例性实施方式。地球3包括地球地层4，其中地层4可以包括层4A-4C。在图1的实施方式中，测井工具10被配置用于随钻测井(LWD)或者随钻测量(MWD)应用。照此，测井工具10被置于钻柱11远端的套圈中。测井可以在钻井的过程中或者在暂停过程中执行。在其它实施方式中，测井工具10可被配置成通过测井电缆、钢丝或者卷管传送通过钻孔2。参考图1，在钻井操作的过程中，钻探泥浆从地球表面通过钻柱11中的泥浆通道12被泵到切割设备13用于润滑和冷却。钻探泥浆从钻柱11的远端排放到钻孔2中。总的来说，钻探泥浆和钻孔流体具有使钻探泥浆或钻孔流体反射中子的属性。相应地，测井工具10包括中子反射器和中子吸收器的配置，以便最小化由钻探泥浆或钻孔流体反射的中子的影响。在图1的实施方式，测井工具10被配置成估计地层4的孔隙度。通过把入射中子7指向地层4中的勘测区域5来测量孔隙度。中子源6发射入射中子7。根据地层4的属性，例如孔隙度和位于地层4的孔隙中的地层流体的类型，一定百分比的入射中子7将被反射回到测井工具10。测井工具10包括中子检测器9，以检测并测量由地层4反射的中子(即，反射的中子8)的量。测井工具10处的中子反射器和中子吸收器的配置被优化，以便增加检测到反射的中子8的概率并且最小化由非地层物质(例如钻探泥浆和钻孔流体)反射的中子对检测器9的影响。中子源6可以是化学中子源或者脉动中子源。总的来说，入射中子7是能量大于0.1MeV的快中子。参考图1，测井工具10包括耦合到检测器9的电子单元14。电子单元14被配置成接收由中子检测器9执行的测量。与测量相关联的数据16可由电子单元14记录和/或被发送到位于地球3表面的处理系统15。当数据16被记录时，数据16可被存储，用于在测井工具10被从钻孔2除去时的后续检索。遥测系统可被用于把数据16发送到处理系统
15。遥测系统用于发送数据16的技术的非限制性例子包括脉动泥浆、有线钻管、声、光和电磁。处理系统15接收并处理数据16，以估计地层4的属性。所述属性的非限制性例子包括孔隙度和地层层4A-4C之间的边界的位置。总的来说，所述属性被呈现给钻井操作人员或者石油分析师，以优化钻井或地层分析。
脉动中子俘获(PNC)数据是在14MeV中子的脉冲在地下地层中减速然后衰变时取得的。信号随时间衰变的速率与地层西格马成反比。西格马是地层中的岩石和流体的物理属性，像体积密度或孔隙度。西格马被用来计算高盐分储层中的水饱和度和蒸汽流中的蒸汽饱和度，并且是以俘获单位(c.u.)测量的一定体积的物质的用于热中子吸收的宏观截面或者俘获截面。西格马是脉动中子俘获测井记录的主要输出，它主要被用于确定套管后面的水饱和度。热中子具有大约与周围物质相同的能量，一般小于0.4eV。脉动中子俘获(PNC)测量主要被用于获得套管后面的岩石物理属性。PNC工具通过把14MeV中子的脉冲发射到钻孔和周围地层中来起作用。当中子散开时，位于源上方的检测器(例如由碘化钠(NaI)晶体制成的两个闪烁检测器)测量由中子与介质交互所产生的伽玛射线。这些伽玛射线计数是作为时间的函数来记录的。在工具中检测到的伽玛射线信号的衰变等效于钻孔和地层中的中子通量(或中子数)的衰变。中子通量作为时间的函数呈指数衰变。中子通量的衰变速率与钻孔或地层的西格马成反比。因而，获得用于地层的总西格马会产生诸如岩石物理信息的储层属性，比如通常作为体积百分比的饱和度，或者说岩石孔隙中的水、油和气的相对量，和孔隙度，以及例如产油层的生产类型信息。由于PNC工具没有从钻孔屏蔽，因此在检测器中看到的信号是钻孔和地层信号之和。为了去卷积这种信号，可以使用多指数模型。在有些方面，多指数模型可以是双指数模型，一个指数说明钻 孔，另一个指数说明地层。中子俘获是中子交互，其中中子被目标核子吸收，产生激发状态的同位素。被激活的同位素通过特性伽玛射线的发射而瞬间去激发。中子俘获(也称为热俘获)通常发生在低热能，在这个热能下，中子具有大约与周围物质相同的能量，一般低于0.4eV(在室温下是
0.025eV)。脉动中子能谱测井记录是地层中的不同元素的产量的电缆测井记录，是使用通过脉动中子发生器感应的伽玛射线能谱测量的。元素产量得自两个中间结果:无弹性和俘获能谱。无弹性能谱是碳-氧测井记录的基础，并且还能够给出关于其它元素的信息。俘获能谱取决于许多元素，主要是氢、硅、钙、铁、硫和氯。由于元素产量只给出关于元素的相对浓度的信息，因此它们通常是作为比率给出的，例如c/0、Cl/H、Si/(Si+Ca)、H/(Si+Ca)和Fe/(Si+Ca)。这些比率分别是油、盐分、岩性、孔隙度和粘土的指示。测井记录的勘测深度一般进入地层几英寸，并且能够在开放式或有套管的洞中延伸。总的来说，从脉动中子俘获衰变获得西格马值可被认为是一个优化问题。给定所观察到的衰变曲线，这些参数集合产生到多指数模型的最优拟合。在有些方面，多指数模型
是以下形式的双指数模型:
t —_t_c{t)^ AbhB^ +AjmB7^(I)其中Abh是与钻孔相关联的幅值，Afffl是与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值，τ bh是与钻孔相关联的中子衰变速率，而Tfm是与岩石地层相关联的中子衰变速率。衰变速率可以通过以下关系与钻孔和地层西格马值有关:
Γπ14545( 1、τ 二 — =--12/
νΣ Σ其中V是热中子速率。
以另一种途径重新开始等式(2)，西格马可以如下计算⑴
权利要求
1.一种从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的计算机实现的方法，该方法包括: 选择由被置于穿过岩石地层的钻孔下面的脉动中子仪收集的能谱，该能谱包括俘获交互和无弹性交互；以及 由与包括指令的计算机可读介质通信的处理器进行模拟，当所述指令被执行时，使处理器利用非线性模型来选择所述能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述非线性模型包括单纯形模型。
3.如权利要求2所述的方法,其中,所述单纯形模型是Nelder-Mead单纯形模型。
4.如权利要求3所述的方法,其中,所述Nelder-Mead单纯形模型包括多顶点单纯形。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述西格马值是利用有关钻孔和岩石地层的多指数非线性模型获得的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述多指数模型基于包括与钻孔相关联的幅值、与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值、与钻孔相关联的中子衰变速率和与岩石地层相关联的中子衰变速率的参数。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述非线性模型基于有关与钻孔相关联的幅值、与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值、与钻孔相关联的中子衰变速率和与岩石地层相关联的中子衰变速率的初始估计。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述非线性模型包括模拟退火模型。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述储层属性包括选自包含下列的组的岩石物理属性:孔隙度、饱和度以及气/ 7K -气/油接触。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述西格马值是基于钻孔和岩石地层中的中子衰变速率而获得的。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述初始估计是根据参数C1至C4以及至t4来确定的,C1至C4和h至t4分别是中子衰变计数和中子衰变时间，其对应于根据来自选择的能谱的数据而在中子衰变曲线上选择的四个点，Abh是与钻孔相关联的幅值，Afm是与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值，Tbh是与钻孔相关联的中子衰变速率，以及τ π是与岩石地层相关联的中子衰变速率。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述储层属性包括有关岩石地层的商业开采的属性，其中，有关商业开采的属性包括产油层。
13.一种用于从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的计算机实现的系统，该系统包括与其中存储有指令的存储器通信的处理器，当所述指令被执行时，处理器被布置成: 选择由被置于穿过岩石地层的钻孔下面的脉动中子仪收集的能谱，该能谱包括俘获交互和无弹性交互；以及 利用非线性模型来模拟选择的能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述非线性模型包括单纯形模型。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述单纯形模型是Nelder-Mead单纯形模型。
16.如权利要求15所述的系统,其中，所述Nelder-Mead单纯形模型包括多顶点单纯形。
17.如权利要求13所述的系统，其中，所述西格马值是利用有关钻孔和岩石地层的多指数模型而获得的。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述多指数模型基于包括与钻孔相关联的幅值、与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值、与钻孔相关联的中子衰变速率和与岩石地层相关联的中子衰变速率的参数。
19.如权利要求14所述的系统，其中，所述非线性模型基于有关与钻孔相关联的幅值、与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值、与钻孔相关联的中子衰变速率和与岩石地层相关联的中子衰变速率的初始估计。
20.如权利要求14所述的系统，其中，所述非线性模型包括模拟退火模型。
21.如权利要求13所述的系统，其中，所述储层属性包括选自包含下列的组的岩石物理属性:孔隙度、饱和度以及气/水-气/油接触。
22.如权利要求13所述的系统，其中，所述西格马值是基于钻孔和岩石地层中的中子衰变速率而获得的。
23.如权利要求19所述的系统，其中，所述初始估计是根据参数C1至C4以及h至t4来确定的，C1至C4和至t4分别是中子衰变计数和中子衰变时间，其对应于根据来自选择的能谱的数据在中子衰变曲线上选择的四个点，Abh是与钻孔相关联的幅值，Afm是与钻孔周围的岩石地层相关联的幅值，Tbh是与钻孔相关联的中子衰变速率，以及τ π是与岩石地层相关联的中子衰变速率。
24.一种用于从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的系统，包括: 可置于穿过岩石地层的钻孔中的脉动中子仪，所述脉动中子仪被布置成产生进入钻孔和岩石地层的中子； 可置于钻孔中的检测器，所述检测器被布置成检测衰变中子的能谱，其中，所述能谱包括俘获交互和无弹性交互；以及 处理器，与其中存储有指令的存储器通信，当所述指令被执行时，被布置成利用非线性模型来模拟所述能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。
25.如权利要求24所述的系统，其中，所述处理器被配置成构建衰变曲线并基于检测的能谱来确定衰变速率的估计。
全文摘要
在本发明的有些方面，公开了一种从脉动中子俘获衰变曲线获得西格马值的计算机实现的方法。该方法可以包括选择由被置于穿过岩石地层的钻孔下面的脉动中子仪收集的能谱，该能谱包括俘获交互和无弹性交互；以及利用非线性模型来模拟选择的能谱，以获得有关一个或多个储层属性的西格马值。
文档编号G01V5/10GK103201649SQ201180053687
公开日2013年7月10日 申请日期2011年9月15日 优先权日2010年11月8日
发明者D·巴尔内斯, A·巴德鲁兹曼 申请人:雪佛龙美国公司