发明背景
本公开总体涉及钻井操作，并且更具体地说涉及井下γ射线检测。
烃诸如油气普遍获自可能位于陆上或海上的地下地层。地下操作的发展和从地下地层开采烃中涉及的过程是复杂的。通常，地下操作涉及许多不同的步骤，例如像在所希望的井场处钻探井筒，处理井筒以优化烃的生产，以及执行必要的步骤来从地下地层生产烃并处理所述烃。通常在整个过程中都要产生井下测量。示例性测量包括但不限于：电阻率、γ射线、声波、核磁共振以及地震测量。
闪烁体可以用于产生井下γ射线测量。所述闪烁体通常包括固体闪烁晶体，所述固体闪烁晶体与由地下地层产生的γ辐射相互作用以产生光子。然而，固体闪烁体晶体对苛刻的井下条件(包括温度、压力、振动和扭矩)是敏感的，这在感测γ辐射过程中可能会导致晶体破裂或降低其有效性。还可以使用液体闪烁体，但是虽然液体闪烁体不易破裂，但是它们对井下温度和压力是敏感的。
附图简述
可以通过部分参考以下描述和附图来理解本公开的一些具体示例性实施方案。
图1是根据本公开的方面的示例地下钻井系统的图。
图2是根据本公开的方面的钻柱已移除的示例地下钻井系统的图。
图3是根据本公开的方面的含有压力平衡液体闪烁体的示例井下工具的图。
图4是根据本公开的方面的含有压力平衡液体闪烁体的另一个示例井下工具的图。
图5是根据本公开的方面的含有压力平衡液体闪烁体的另一个示例井下工具的图。
虽然本公开的实施方案通过参考本公开的示例性实施方案已进行了展示和描述并且加以限定，但是这类参考并不暗示对本公开的限制，并且不应推断出这种限制。如受益于本公开的相关领域技术人员将会想到，所公开的主题在形式和功能上能够具有相当多的修改、变更和等效形式。所展示和描述的本公开的实施方案仅是实例，而且并未详尽说明本公开的范围。
具体实施方式
在本文中详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，在本说明书中可能并未描述实际实现方式的所有特征。当然将了解到，在任何这种实际实施方案的开发中，要做出众多实现方式特定的决策来实现特定实现方式的目标，所述目标会随实现方式而变化。此外，将了解到，这种开发工作可能是复杂而耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言将是常规任务。
为了便于更好地理解本公开，以下给出了某些实施方案的实例。以下实例决不应被理解为限制或限定本发明的范围。在任何类型的地下地层中，本公开的实施方案可以适用于水平井筒、垂直井筒、偏斜井筒或其他非线性井筒。各实施方案可以适用于注入井以及生产井，包括烃类井。各实施方案可以使用被制造成适合于沿着地层的区段进行测试、取出和采样的工具来实施。各实施方案可以用例如可以通过管柱中的流动通道或者使用电缆、钢丝绳、连续油管、井下机器人等等传送的工具来实施。“随钻测量”(“mwd”)是通常用于在继续钻井时测量有关钻井组件的移动和位置的井下条件的术语。“随钻测井”(“lwd”)是通常用于更多集中在地层参数测量的类似技术的术语。根据某些实施方案的装置和方法可以用在以下一项或多项中：电缆(包括电缆、钢丝绳和连续油管)、井下机器人、mwd以及lwd操作。
出于本公开的目的，信息处置系统可以包括任何工具或工具的集合，它们出于商业、科学、控制或其他目的可操作来计算、分类、处理、传输、接收、检索、产生、切换、存储、显示、声明、检测、记录、再现、处置或利用任何形式的信息、情报或数据。例如，信息处置系统可以是个人计算机、网络存储装置或任何其他合适的装置，并且在大小、形状、性能、功能和价格上可以有所变化。信息处置系统可以包括随机存取存储器(ram)；一个或多个处理器或处理资源，诸如中央处理单元(cpu)或硬件或软件控制逻辑；rom和/或其他类型的非易失性存储器。如本文所使用，处理器可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)，或者被配置来解释和/或执行程序指令和/或处理相关联的工具或传感器的数据的任何其他数字或模拟电路。信息处置系统的附加部件可以包括一个或多个磁盘驱动器、用于与外部装置以及各种输入和输出(i/o)装置(诸如键盘、鼠标和视频显示器)连通的一个或多个网络端口。信息处置系统还可以包括一个或多个总线，所述一个或多个总线可操作来在各种硬件部件之间传输通信。
出于本公开的目的，计算机可读介质可以包括可以在一段时间内保留数据和/或指令的任何工具或工具的集合。计算机可读介质可以包括例如但不限于：存储介质，诸如直接存取存储装置(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序存取存储装置(例如，磁带磁盘驱动器)、光盘、cd-rom、dvd、ram、rom、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)和/或快闪存储器；以及通信介质，诸如导线、光纤、微波、无线电波以及其他电磁和/或光学载波；和/或以上各项的任何组合。
如本文所使用的术语“联接(couple)”或“联接(couples)”意在表示间接或直接连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，那么所述连接可以通过直接连接或通过经由其他装置和连接而进行的间接的机械或电连接来进行。类似地，如本文所使用的术语“通信地联接”意在表示直接或间接的通信连接。这种连接可以是有线或无线连接，例如像以太网或lan。这类有线和无线连接对于本领域普通技术人员来说是众所周知的，并且因此将不在本文中进行详细论述。因此，如果第一装置通信地联接至第二装置，那么所述连接可以通过直接连接或通过经由其他装置和连接而进行的间接通信连接来进行。最后，如本文所使用的术语“流体地联接”意在表示在两个部件之间存在直接或间接的流体流动路径。
根据本公开的方面，压力平衡液体闪烁体可以在井下环境中用作γ射线检测器。如本文所使用，液体闪烁体可以包括一种或多种类型的闪烁晶体(例如，nai或卤化物晶体)和溶剂的液体溶液。如将在下文详细所描述，压力平衡液体闪烁体可以包括容器，所述容器至少部分地填充有液体闪烁体；以及至少一种机构，所述至少一种机构有助于介于液体闪烁体与井下环境中的流体，例如钻孔中的钻井流体之间的压力平衡。压力平衡机构可以允许闪烁流体的热膨胀和收缩，所述闪烁流体如果一直受到刚性限制，那么就会在容器中产生应力。压力平衡机构还可以用于通过使闪烁流体与钻井泥浆保持处于相同的压力来防止容器的塌缩。这可以实现容器的厚度的相关联的减小，并且通过允许更多的γ辐射抵达管子内的液体闪烁体来实现闪烁体的敏感度的提高。
图1是根据本公开的方面的地下钻井系统80的图。钻井系统80包括安置在表面82处的钻井平台2。在所示的实施方案中，表面82包括含有一个或多个岩石地层或层18a-18c的地层18的顶部，并且钻井平台2可以与表面82接触。在其他实施方案中，诸如在陆上钻井操作中，表面82与钻井平台2可以隔开一定体积的水。
钻井系统80包括井架4，所述井架由钻井平台2支撑并且具有用于升高和降低钻柱8的游动滑车6。方钻杆10可以在钻柱8通过旋转台12降低时支撑所述钻柱。钻头14可以联接至钻柱8，并且通过井下马达和/或钻柱8通过旋转台12进行的旋转来驱动。在钻头14旋转时，所述钻头产生穿过一个或多个岩石地层或层18的钻孔16。泵20可以使钻井流体如下循环：使所述钻井流体穿过进给管22直至方钻杆10，向井下穿过钻柱8的内部，穿过钻头14中的孔口，经由钻柱8周围的环空回到表面，并且进入保留坑24中。钻井流体将切屑从钻孔16输送到坑24中，并且帮助维持钻孔16的完整性。
钻井系统80可以包括在钻头14附近联接至钻柱8的井底组件(bha)。bha可以包括各种井下测量工具和传感器以及lwd/mwd元件26。在钻头将钻孔16延伸穿过地层18时，lwd/mwd元件26可以收集与钻孔16相关的测量结果。lwd/mwd元件26可以包括连续或间歇地监测井下条件、钻井参数和其他地层数据的井下仪器，包括传感器。传感器可以包括例如天线、加速度计、磁力计和γ射线传感器。在所示的实施方案中，lwd/mwd元件26的传感器之一是压力平衡液体闪烁体26a，所述压力平衡液体闪烁体的实施方案将在下文进行详细描述。bha和/或lwd/mwd元件26可以包括一个或多个信息处置系统(未示出)，所述信息处置系统向传感器和工具发出命令并且从工具接收测量结果。
lwd/mwd元件26可以通信地联接至bha内的遥测元件28。遥测元件28可以将测量结果从lwd/mwd元件26传送至表面接收器30和/或经由表面信息处置系统32而从表面接收器30接收命令。遥测元件28可以包括泥浆脉冲遥测系统和声学遥测系统、有线通信系统、无线通信系统或者本领域普通技术人员鉴于本公开将了解到的任何其他类型的通信系统。在某些实施方案中，在lwd/mwd元件26处取得的测量结果中的一些或全部同样可以存储在lwd/mwd元件26或遥测元件28内，以供表面信息处置系统32稍后在表面82处检索。表面信息处置系统32可以处理所述测量结果以确定地层18、钻孔16或钻井组件的特征。
在钻井过程期间的各个时间上，钻柱8可以如图2所示从钻孔16移除。一旦已移除钻柱8，就可以使用电缆工具34，即通过缆线15悬挂到钻孔16中的仪器来实施测量/测井操作，所述电缆具有导体，所述导体用于将功率从表面电源输送至工具，并且将遥测结果从工具主体输送至表面102。电缆工具34可以包括类似于上文描述的lwd/mwd元件26的测量和测井元件36，包括天线、加速度计、磁力计和γ射线传感器，诸如压力平衡液体闪烁体36a。元件36可以通信地联接至缆线15。测井设施44(在图2中示出为卡车，但是其可以是任何其他结构)可以从工具36收集测量结果，并且可以包括计算设施(包括例如控制单元/信息处置系统)以便控制、处理、存储由元件36采集的测量结果和/或使所述测量结果可视化。计算设施可以通过缆线15来通信地联接至元件36。在某些实施方案中，表面信息处置系统32可以用作测井设施44的计算设施。
如前所述，可以在钻井或测井操作期间使用闪烁体来产生井下γ射线测量。一般而言，闪烁体通过以下方式起作用：在与来自来源，诸如地下地层的γ辐射接触时发射光子。然后检测和计数所发射的光子，并且将所述光子用于识别辐射源的特征。典型的闪烁体是容易因为苛刻的井下压力和温度条件，以及钻井过程固有的扭矩和振动而破裂的固体晶体。这些问题通常指示使用较小的不太能够检测γ辐射的闪烁体。与固体晶体相比较，液体闪烁体不会破裂，从而允许使用更大的体积，但是液体闪烁体的膨胀和收缩可能要求对液体闪烁体使用相对较厚的容器，这可能会减少抵达液体闪烁体的γ辐射的量。在井下钻井环境中，使液体闪烁体的压力与周围钻井流体的压力平衡可以减小因周围钻井流体的压力而施加在容器上的应力，从而允许使用不那么坚固的较薄的容器。这可以允许更多的γ辐射抵达液体闪烁体，从而提高闪烁体的敏感度和γ测量的准确性。
根据本公开的方面，图3是根据本公开的方面的联接至井下工具350的示例压力平衡液体闪烁体300的图。压力平衡闪烁体300包括至少部分地填充有液体闪烁体304的容器302。在所示的实施方案中，容器302包括闪烁体管，所述闪烁体管可以由以下各项制成：例如，高强度镍合金，诸如inconel或incoloy；高强度钢，诸如nitronic50/60、不锈钢17-4ph或p550；或者高强度钛合金，诸如6al-4v。然而，其他形状和体积的容器也是可能的，容器也可由与上文识别的材料不同的材料制成。活塞306至少部分地安置在管子302内，并且与液体闪烁体354流体连通。活塞306包括至少一个密封件308，所述至少一个密封件密封活塞306与管子302的内表面之间的环空，从而至少部分地将液体闪烁体304保持在管子302内。
在所示的实施方案中，光传感器310联接至压力平衡液体闪烁体300。光传感器310包括安置在光电倍增管壳体314内的光电倍增管312。虽然示出了光电倍增管，但是其他类型的光传感器是可能的，包括但不限于：光电管、pin二极管、光电二极管或基于量子点石墨烯的光子传感器，以及一个或多个盖革-米勒管，所述盖革-米勒管通常填充有压缩的he3气体，所述气体从由he3原子释放的游离电子产生电压脉冲。光电倍增管壳体314联接至闪烁体管304，使得液体闪烁体304与光电倍增管312轴向对准，并且液体闪烁体304与光电倍增管312隔开密封的石英窗口316，所述密封的石英窗口安置在壳体314内。在这种配置中，光传感器310用于至少部分地将液体闪烁体304保持在闪烁体管304内。在替代配置中，诸如当使用不同类型的光传感器时，闪烁体管302可以具有至少一个密封端，以将液体闪烁体304保持在管子302内。信息处置系统318通信地联接至光传感器310，以从光传感器310接收至少一个输出信号，所述至少一个输出信号如下文将描述对应于在液体闪烁体304处接收的γ辐射的出现。
闪烁体300、光传感器310和信息处置系统318可以联接至井下工具350的工具主体352。在所示的实施方案中，井下工具350包括lwd/mwd元件，所述lwd/mwd元件结合到bha中并且在钻井操作期间安置在钻孔380内。为了促进必要的钻井流体流在钻井操作期间穿过井下工具350，工具主体352包括具有内表面370的环形结构，所述内表面限定内部流动孔354。闪烁体300、光传感器310和信息处置系统318安置在所述环形结构内，其中闪烁体300与工具主体352的纵向轴线356平行地布置。然而，这仅仅是一个可能配置，对于工具主体352的结构来说也是如此。值得注意的是，电缆工具诸如参考图2论述的那些可以使用不具有内部流动孔的工具主体。
在所示的实施方案中，闪烁体管302的端部302a与流动端口358对准。流动端口358在工具主体352中提供介于活塞306与工具主体352之外的区域之间的流体连通。在此处，工具主体352之外的区域包括介于工具主体352的外表面360与钻孔380之间的环空382。在其他实施方案中，流动端口358可以提供与内部流动孔354的流体连通。在典型的钻井操作中，环空382填充有返回到表面的加压的钻井流体和地层流体，并且内部流动孔354填充有类似加压的钻井流体，所述类似加压的钻井流体被从表面泵送到井下。
在使用中，井下工具300和闪烁体350可以作为钻井操作、电缆测井操作或完井操作(其中地层被压裂直至呈基本上完成的钻孔为止)的一部分而安置在钻孔380内。在闪烁体350在钻孔内移动时，液体闪烁体354的压力可以作用在活塞306的第一侧上，并且钻井和地层流体的压力可以通过流动端口358而作用在活塞306的相对侧上。活塞306可以在闪烁体管302内轴向地移动，直到活塞306的每一侧上的压力相同并且达到平衡为止。当钻井和地层流体的压力改变，就像井下工具350在钻孔380内改变深度时可能发生的那样时，可以通过活塞306的进一步的轴向移动来维持压力平衡。虽然在图3中使用安置在闪烁体管302内的活塞306来维持压力平衡，但是这种配置并不意在是限制性的。例如，在其他实施方案中，液体闪烁体的压力可以通过活塞来与钻孔内的钻井流体的压力平衡，所述活塞位于闪烁体管外侧，但是仍然通过侧部或闪烁体管中的次要端口来与液体闪烁体流体连通。此外，在其他实施方案中，可能完全不使用活塞；相反，液体闪烁体的压力可以经由柔性弹性体隔膜，例如基于金属或聚合物的柔性膜盒布置来与钻孔内的钻井流体的压力平衡。在井下工具350在钻孔380内移动时，液体闪烁体304可以从包围钻孔380的地层接收γ辐射。这种接收的γ辐射可能会使液体闪烁体354发射可见光子，所述可见光子通过窗口316而接收在光电倍增管312处。在光电倍增管312处接收的可见光子可以被转换成在信息处置系统318处接收的输出电信号中的尖峰。信息处置系统318进而可以处理所述输出信号以确定地层的特征，或存储输出信号以供稍后表面处的检索和处理。在某些实施方案中，地层的特征可以包括地层的组成，所述组成可以基于液体闪烁体304处接收的γ辐射的量而识别。在信息处置系统318处执行的存储和/或处理步骤可以由本地存储在信息处置系统318处的一组计算机可读指令或软件来控制。
图4是根据本公开的方面的联接至井下工具450的另一个示例压力平衡液体闪烁体400的图。在所示的实施方案中，压力平衡液体闪烁体400包括与上文参考图3所描述的闪烁体类似的配置，包括容器402，所述容器至少部分地填充有液体闪烁体404；以及活塞406，所述活塞至少部分地处于容器402内，并且与液体闪烁体404以及介于井下工具450与钻孔482之间的环空484流体连通。然而，压力平衡液体闪烁体400在图4中的不同之处在于：所述压力平衡液体闪烁体是围绕井下工具450的工具主体452处于相等的角度间隔的三个压力平衡液体闪烁体400、420和440之一，并且与工具主体452的纵向轴线456垂直地布置。垂直取向相较于平行取向可以对γ射线测量提供不同的方向敏感度，并且附加的压力平衡液体闪烁体可以提高所得测量结果的方位敏感度和准确性。为了适应压力平衡液体闪烁体400、420和440的垂直取向，已经使用三个内部流动通道454来代替一个中心孔。
图5是根据本公开的方面的联接至井下工具550的另一个示例压力平衡液体闪烁体500的图。在所示的实施方案中，压力平衡液体闪烁体500包括与上文参考图3所描述的闪烁体类似的配置，包括容器502，所述容器至少部分地填充有液体闪烁体504；以及活塞506，所述活塞至少部分地处于容器402内。然而，在所示的实施方案中，活塞506与液体闪烁体504流体连通，并且与由工具主体552的内表面572限定的内部流动孔570流体连通。确切地说，活塞506通过形成在工具主体552的内表面572中的端口510而与内部流动孔570流体连通。如上所述，内部流动孔570内的流体压力可以与在相同深度处的工具550周围的流体压力基本上相同。因此，使液体闪烁体504的压力与内部流动孔570中的流体压力平衡可以发挥与使液体闪烁体504的压力与工具550周围的环空中的流体压力平衡基本上相同的作用。
根据本公开的方面，示例井下工具包括工具主体和联接至工具主体的光传感器。闪烁体可以联接至光传感器并且包括含有液体闪烁体的容器。活塞可以与液体闪烁体流体连通，并且与工具主体的内表面和外表面中的至少一个流体连通。在某些实施方案中，活塞可以至少部分地处于容器内。在某些实施方案中，容器可以与工具主体轴向平行地布置。在某些实施方案中，容器可以与工具主体轴向垂直地布置。
在某些实施方案中，工具主体可以包括流体端口，所述流体端口穿过工具主体的内表面和外表面中的至少一个，并且活塞通过所述流体端口而与工具主体的外表面流体连通。在某些实施方案中，闪烁体可以是围绕工具主体按等角度间隔隔开的多个闪烁体之一。
在先前两个段落中描述的任何实施方案中，光传感器可以包括以下至少一项：光电倍增管、光电管、pin二极管、光电二极管或基于量子点石墨烯的光子传感器，以及一个或多个盖革-米勒管。在先前两个段落中描述的任何实施方案中，液体闪烁体可以包括一种或多种类型的闪烁晶体和溶剂的液体溶液。
根据本公开的方面，示例方法包括将闪烁体安置在地下地层中的钻孔内，其中闪烁体包括含有液体闪烁体的容器。所述方法还可以包括使液体闪烁体的压力与钻孔内的钻井流体的压力平衡；以及从联接至容器的光传感器接收输出信号。在某些实施方案中，使液体闪烁体的压力与钻孔内的钻井流体的压力平衡包括提供与液体闪烁体和钻井流体流体连通的活塞。在某些实施方案中，活塞至少部分地处于容器内。在某些实施方案中，将闪烁体安置在钻孔内包括将井下工具安置在钻孔内，闪烁体联接至所述井下工具。在某些实施方案中，闪烁体与井下工具的工具主体轴向垂直地布置。在某些实施方案中，闪烁体与井下工具的工具主体轴向平行地布置。在某些实施方案中，将闪烁体安置在钻孔内包括将井下工具安置在钻孔内，多个闪烁体联接至所述井下工具。在某些实施方案中，将闪烁体安置在钻孔内包括将井下工具安置在钻孔内，多个闪烁体按等角度隔开的间隔联接至所述井下工具。在某些实施方案中，井下工具包括工具主体，并且提供与液体闪烁体和钻井流体工具主体流体连通的活塞包括提供通过流体端口而与钻井流体流体连通的活塞，所述流体端口穿过工具主体的内表面和外表面中的至少一个。
在前面段落中描述的任何实施方案中，所述方法还可以包括至少部分基于所接收的输出信号而确定地下地层的至少一个特征。在前面段落中描述的任何实施方案中，所述方法还可以包括以下至少一项：光电倍增管、光电管、pin二极管、光电二极管或基于量子点石墨烯的光子传感器，以及一个或多个盖革-米勒管。在前面段落中描述的任何实施方案中，液体闪烁体可以包括一种或多种类型的闪烁晶体和溶剂的液体溶液。
因此，本公开非常适于实现所述目的，并且获得所提及的结果和优点以及其中固有的那些结果和优点。虽然已通过参考本公开的示例性实施方案展示和描述了本公开，但是这种参考并不暗示对本公开的限制，并且不应推断出这种限制。如受益于本公开的相关领域普通技术人员将会想到，本公开在形式和功能上能够具有相当多的修改、变更和等效形式。所展示和描述的本公开的实施方案仅是示例性的，而且并未详尽说明本公开的范围。因此，本公开意在仅受所附权利要求书的精神和范围的限制，从而在所有方面给出了对等效形式的全面认识。除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。