地下地层评价的方法和装置的制作方法

专利名称：地下地层评价的方法和装置的制作方法
在探测地下碳氢化合物时，一旦井孔钻成，就必须着手评价钻孔所在岩层的性质。进行这种评价最常见的目的是确定水的饱和度和多孔地层结构的孔隙度。所获信息对于正确确定将一口裸井变为生产井的经济效益是至关重要的，同时，如果经济效益很好，对于在此井孔基础上开发一个从地下含碳氢化物的地层中生产碳氢化合物流体的计划，也是必不可少的。
在石油工业中，已在确定水饱和度和孔隙度的方面取得了巨大成就的技术就是工业中熟知的电缆测井。为了确定水饱和度和孔隙度，绝大多数利用电缆勘探仪器进行评价的井都使用一套通常由三部分组合的测井记录。这三组组合测井记录通常是三组电缆测井记录，它们是测量地层电阻率的电阻率测井记录(电流测量或电感测量);测量地层孔隙率的中子测量测井记录和测量地层密度的γ射线测量测井记录。另外，三组组合中有时还包括声波测井记录。
虽然电缆技术所获得的结果已满足了大多数情况下的需要，本领域的熟练技术人员都越来越意识到非电缆技术可能还会有它的优点。但很遗憾，电缆测井必须在井孔钻完之后才能进行。这样，电缆测井要等到井孔形成后数小时、甚至数天后才能进行，但是，地层和井孔会随着时间而变化，因此，利用电缆探测技术所得到的结果就可能不是最佳的，且最感兴趣的地层性质会变得模糊不清。
例如，地层的电学性质会随着钻井液渗入或浸入地层而变化。已经知道，在钻井液的浸入过程中，钻井液分离成渗入地层的滤液和由钻井孔中的固体形成的复盖于井孔表面的泥饼。钻井液的浸入改变了比如是测电阻率设备所得到的读数，而泥饼使得电缆仪器很难直接与岩石接触，这样就产生了钻具“间隙”(standoff)效应，这种“间隙”效应对许多电缆仪器、包括中子孔隙度仪器都有不良影响。
另外一个随时间的推移而出现的不良影响就是地层本身会变化。地层物质会因暴露于钻井液而膨胀造成井孔堵塞。有时，因地层结构不实而造成向井内剥落或倒塌，形成“空洞”，这种“空洞”给许多电缆探测法带来“间隙”效应的困难。若地层物质向井内倒塌的趋势很严重的话，则井孔自身可能会倒塌或形成孔壁跨接，这样不仅防碍了进一步进行电缆测井，而且还会导致丢失仪器和/或放弃该井。
还有，完成电缆探测所需的时间会延误将井孔变为生产井的时间，造成很大的损失。
因此，很清楚，如果能将一般要在井孔完成后才进行的电缆探井法对地层性质的测试改为在钻井的同时进行，那么，上述电缆测井过程中许多固有的困难就可以避免。
到目前为止，只有在石油工业中，有可能在钻井过程中满意地进行地层评价。以前，没有能开发出一种能满意地解决在钻井过程中进行地层评价的固有问题的技术。比如，工业方面一直谨慎地反对在钻杆柱中放入放射源。
最近至少有一种已有技术已经提出，在钻井过程中用核技术(γ密度法或中子孔隙度法)进行地层评价。美国专利4596926，4698501，4705944和英国专利申请2175085，2183831及有关文章中提出了一种装置的技术方案，该方案在钻铤外侧槽内装有核放射源(中子或γ射线源)。为防止在钻井过程中源位移，采取了三种独立的防范措施。很容易理解为何采取这些特别措施，因为在钻井过程中如果源掉入井内，这是完全不能接受的。然而，采取三种独立措施以防止源掉入井内，就使源的插入和卸出变得更为困难，并且需要比预期更多的时间。完成这一步骤所需的时间必须尽可能的短，因为辐射对于操作人员的危害是逐渐积累的。
还有，已有技术提出的装置还具有其他缺陷，因为在地表面时，钻探过程会损坏装有源的钻铤外侧，如钻铤损坏到影响源的拆卸的程度，如上述原因，这就很不理想。另外，已有技术对于钻杆柱可能会在井孔底部脱落的危险丝毫没有谈及，且对找回脱落的钻杆柱的“冲刷”或“打捞”程序也丝毫没有谈及。打捞操作即使没有破坏源本身，就是损坏了装源容器也是不可想象的。
发展出一种新颖的MWD(钻井时测量)的核技术测井设备，克服了已有技术的固有问题。本发明装置中设有中子和γ射线仪器，其放射源完全置于筒状钻铤内部，并可以轴向通过钻铤一端插入或取出。
概括地讲，钻井时用于探测井孔周围地层性质的MWD测井装置包括一个管状体，该管状体连接于钻杆柱，并允许钻井液流过。中子源置于该管状体内轴线上，钻井液可从其周围流过。由于中子与地层间相互作用，发射出的中子会在地层中产生二次辐射。此处“二次辐射”是指被地层散射的中子(如热或超热中子)或地层中原子核俘获中子后产生的γ射线。
探测二次辐射的第一组探测器装于管状体内离放射源第一间隔距离处的位置，并产生标志所探测的二次辐射的信号，第二组相似的探测器装于管状体内距离源第二间隔距离处的另一位置，以便使用已知的井孔补偿技术。这样的第一组和第二组探测器可包括热和超热中子探测器(如氦3气体管或三氟化硼，或应用塑料闪烁体或以锂玻璃为基底的闪烁体的闪烁体/光电倍增管组合)，或γ射线探测器(如盖革-弥勒计数管或碘化钠、碘化铯类闪烁体的闪烁体/光电信增管的组合)。每组探测器都可以围绕内部中心管状热中子屏蔽罩安装为环状阵列，该屏蔽罩允许钻井液通过此环状阵列的中心向上流动。这种环状阵列至少包括两种不同类型的探测器，目的是能够获得最多的信息。如，这两种探测器是盖革-弥勒计数管(探测俘获γ射线)和氦3探测器组(探测散射中子)，将这两套探测器所获得的信号结合起来，从而产生反映地层中氯元素含量的指示。
在优选的具体实施方案中，所用装置还包括一个γ射线源，该源置于管状体的内侧，它在轴上的位置与中子源的位置不同。其偏心位置只允许钻杆柱内的钻井液从源离地层远的一侧流下。两源之间最好相互连接，中子源在γ射线源之上，用上端有一夹头的柔性电缆连接，这样就可使相互连接的两源同时沿钻具内部通道取出。
第一组和第二组γ射线探测系统，不论是耦合于光电信增管的闪烁晶体还是盖革-弥勒计数管，都安置于距γ射线源不同间距的位置上。这些探测器也偏置于管状体内部通道的内侧，以使下流钻井液只能从远离地层的一边流过。由于γ射线源和探测器都置于钻具管状体内部，γ射线后屏蔽板可置于探测器的后边，在整个管状体上设置γ射线透明窗，使发出和返回的γ射线通过。流体排除器或稳定叶片可装在外部紧邻窗口的位置，或者也装上相同的窗口，这样，源和探测器平行准直，从而在钻井过程中钻铤转动时极大地提高竖直和切向分辨率。还可设置一个装置，它通过检测转动位置和记录探测数据从而产生作为角度位置函数的信号。
根据上述探测器所获得的信号，本装置可得到与深度相关的测试值，它通常在工业上称作中子孔隙度和γ射线密度测井记录。然而，已经发现，在产生这些有价值的数据之前，应当采取辅助措施进行校正处理，以改善测量结果。例如，由于钻井液出现在仪器和地层之间，就会明显地影响测量，而钻井液密度的测量结果就是通过γ射线探测器探测穿过装置内部向下流动的流体的γ射线获得的。另外，还需有探测地层天然放射性的仪器，这样就可将这种天然放射性本底从γ射线探测器所测得的信号中除去。
除上述两种改进之外，已发现还需要进行第三种修正。在钻井过程中，钻铤会遭受强大的加速，这就会在中子探测器系统产生震颤噪声。这种噪声很明显与地层性质无关，只能使测量结果变得难以理解。因此就需设置检测以及从数据中去除震颤噪声成份的装置。在优选实施例中，设置一个加速度计，用来检测高加速度的发生，从而去除相应噪声数据。或者，利用一个其中心导体不接一般高电压或不充氮气的辅助无源氦3探测器来完成此任务。用此方式，该无源探测器不象传统探测器那样对中子作出响应，但它仍将产生响应于大加速度的震颤噪声。因此，来自该探测器的信号可作为震颤噪声指示，用来对有源氦3探测器的输出进行修正。进一步的改进就是设置一个有源氦3探测器，该探测器或者远离中子源或被屏蔽起来，以免受到强大中子流的影响。在这种“监控”探测器本身上产生的任何信号都可看作是震颤噪声。
另外一个进一步减少标准氦3探测器系统对震颤噪声敏感性的措施，就是倒换氦3管的极性，收集极电压为零或接地，这样就可以消除间隙电容的影响，这些电容是噪声源之一。在这一实施例中，应采取附加措施使氦3探测器外壳电绝缘，因为此时外壳处于高电位。
众所周知，中子源引起原子核活化，然后发生放射性衰变产生γ射线。当中子测井源离γ射线探测器很近时，探测到的信号中至少一部分是由钻铤的中子活化而产生的γ射线所引起的。这样，就希望有一种技术来确定载带有用地层信息的总γ射线信号中含有多少活化信号成份。若活化成份能被确定，那么，随后就可对这种活化成分的γ射线信号进行补偿。
本发明的新颖性在所附权利要求中已作出具体的表述。通过对一个体现本发明原理的装置实施例的描述以及附图，可以最好地理解本发明及其进一步的目的和优点。


图1显示了接入钻杆柱的本发明MWD(钻井时测量)装置的实施例。
图2是图1中MWD装置的正视图。
图3a和3b分别是图2中钻具的中子源和探测器部分的剖面图。
现在看图1，它是一个新的改进后的测井装置10的实施例，是根据本发明原理安排的。装置10连接于与钻杆接头13相串接的钻杆柱11的下端。如前所述，装置10包括一个连接于钻体15上端的管状体14，而钻体15又连接于地钻装置，比如液动涡轮钻具或钻头16，该钻头用于渐近地通过各种地下地层18而开凿井孔17。一般的作法是，一旦钻头16接触到井孔的底部，地面上的钻机(图中未示出)就开始转动钻杆柱11，同时将足够量的适当流体(称为“钻井泥浆”)连续不断地通过钻杆柱向下泵入(如图中箭头19所示)。钻井泥浆从钻头16的多个孔排出，不但冷却和润滑了钻头，而且当钻泥沿钻杆柱11外井孔17内环形空间上流时(如图中箭头20所示)，将地层物质带到地面。
在图1中还可以看到，装置10的管状体14合适地串接于钻体15和钻杆柱11下端之间，从图1中还可以看出改进后的新装置10还包括一个加大部分，即图中部位21，组合起来装于管状体14的中间部位，使其向外凸出至少朝向井孔17的一个侧壁。加大部分21的特定材料和结构应该完全服从于本发明的整个目的，已发现为方便起见，具有二、三个螺旋叶片(如图中部件22)、最好用钢或某些γ射线防护材料制成的钻铤稳定器，可以成为一个改进的加大部分。一种较好的稳定器有一个带槽缝的部分，目的是可以迅速地对钻体15制动。下面将详细叙述，经本发明改进后所选用的稳定器21使得叶片22的外部表面与相邻井孔17井壁表面的间隙小于1英寸(理想间隙为零)。此微小间隙将会极大地降低钻杆柱11下部在钻孔17中横向移动的可能性。位于21处的钻铤稳定器在稳定叶片22之间提供足够的流动区域，以使钻井泥浆20通过井孔17的环形区向上流过。
如图1所示，钻具15由厚壁式管状体组装而成，体内设传感器和电路，用于测定各种井底情况，如井孔流体状况和已被钻头16穿透的地层18的性质和某些特征。本发明申请中所说的“地层”是指岩石基质和其所含流体组分。
虽然可采用其它方法将测量信息传输到地面，但在钻具15内设置了声频数据-信号处理装置23，它从几个测量传感器中接收信号，然后连续将代表这些信号的编码信号通过钻杆柱11中的钻井泥浆传输到地面，在地面使用有关的信号检测和信号处理仪器(图中未示出)将声频信号进行检测和处理。为使本发明方法得以实施，钻具15及地面检测和处理仪器最好以与井下相似的方式布置，地面仪器已公开在美国发明专利No.4，479，564中。后面还要详细叙述，钻具15还包括典型的放射性测井装置24，它置于数据-信号处理装置23之上。
现在来看图2，它显示了本发明装置10的优选实施例的剖面连续正视图。如前所述，管状体14是一般的盒子，用销结接头25和26将装置10连接于钻杆柱上。如图所示，加大的筒体28同轴地置于纵向孔27的中部，并相对于外管状体14液封于此。内管体28内有一个适当尺寸的纵向流体通道29，可使钻井泥浆从纵向孔27的上下部分之间流过外管状体14，该流体通道部分是横向偏置于钻体内的。为便于地层密度的测定，使用了耦合于光电倍增管的无机闪乐体γ辐射探测器30和31，这些探测器置于一个细长的不透液体的密封盒32内，该盒置于管状体14内流动通道29的一边，并沿着管状体内与流动通道相对的另一侧纵向延伸。为了确定探测器30和31在密封盒32内合适的纵向间隔，将探测器分别置于适当的辐射屏蔽块36中分离的上槽和下槽34和35中，屏蔽块的设置方式是其凹槽向外，与通道29隔开。辐射屏蔽块36可用一种或多种合适的γ射线屏蔽材料制成，如铋、铅、钨合金或其它不透射γ射线辐射的材料。
由于钢制管状体14会限制或阻止γ射线到达探测器30和31，所以就在钢体上横向开了上下两个窗口37和38，并分别与盒32内的上下两探测器的γ射线敏感元件对准。窗口37和38分别在图上39和40位置处用辐射透明元件防液密封，比如可用防井内流体的薄钛包皮的铍附设塞子。为了使泥浆间隙的不利影响减到最小，本发明装置10进一步还包括上部和下部两个窗口41和42，它们开在改进稳定器21的一个叶片22上，这样可使稳定器总是适当地安装于管状体14上，使叶片上的窗口都是横向地对准相应的窗口37和38。为了清除两窗口41和42上的泥饼或其它井孔物质，每个叶片上的窗口也都分别用环氧树脂或其它辐射透明材料塞子43和44塞上。
如图2所示，装置10的优选实施例中，至少有一部分放射性测井装置24的辅助电子电路置于密封盒或所谓“套筒”45内，该套筒45安装于筒状体28下部管状体14的纵向孔27内，并通过管状延伸件46将其连接起来，管件46也是探测器室32和套筒之间的导线通管。套筒45内装有适当的固体存贮器和一个与外部遥测系统及电源无关的井底工作电源。
参阅图2，本发明的新改进型装置10中管状体28的上端部同时安置了一个向上开口的盲孔或辐射源盒47，它与探测器室32位于筒体的同一侧，稍在探测器室32之上。如图所示，源盒47也相对于通道29横向偏置，从而形成一段减厚壁部位48，该部位沿着筒状件28的相对侧从内流道纵向延伸。
由于外管状体14会衰减所通过的γ射线能量，所以在该管状体上开了一个横向窗口49，并使之与位于减厚壁部位48另一侧的封闭源盒47对齐。窗口49用与塞子39和40相同或类似的辐射透明元件50防液密封，为使γ射线能量的衰减降到最小，在稳定器21叶片22上开了另一个适当的横向窗口51，它位于横向窗口41之上，并确保稳定器合适地装于管状体14上，使窗口51不论何时都能横向同管状体上窗口49对齐。窗口51用辐射透明材料52填充，用以排除泥饼或其他井底物质。
装置10还包括一个细长的芯棒或可取出的棒53，其上端固定于竖立的打捞颈54，下端的尺寸正好能容纳于向上开口的源盒47中。γ射线源55，如一定量的钴、铯或其他在其自身衰变时可放出γ射线的物质，置于细长芯棒53的下端，直接置于窗口49之后并与之横向对准，芯棒下端则总是正确装配在源盒47之内。为方便起见，最好使用密封化学源，如在典型的电缆测井具中所用的那些化学源。
改进型稳定器21的主要作用就是减小来自源55、通过井孔17到探测器30和31的射线束。其次，稳定器叶片22能够非常有效地将钻泥从直接处于相邻地层18和探测器30、31以及源55之间的钻孔环中位移或排出。这样，来自邻近地层的γ射线到达探测器30和31的通道，以及辐射源55发出γ射线的通道，它们各自将总是基本上从地层中通过。即使总有少量钻井泥浆存在，或许偶然有一薄层泥饼处于稳定器叶片22外缘和相近孔壁之间，改进型稳定器21也将总是会使放射性测井设备24获得足够精度的地层密度测量结果，而在没有MWD仪器情况下，这是不可能达到的。
除了获得钻井过程中所穿过不同地层密度的连续测量结果外，获得表示那些地层中子孔隙度的连续同时测量结果也很有价值，据此，在新的改进后装置10中同时也安装了放射性测井装置24，用以增强对地层中子孔隙度的测量能力。这样，如图2所示，为了获得这些测定结果，装置10进一步安装了与放射性测井装置24配合使用的第二个辐射源58。与探测器30和31的情况一样，测井装置24中的其它单元，如一个或多个辐射探测器59和60，也被同时置于管状体14之内，它们在空间上远离辐射探测30和31以及辐射源58。在装置10的最优安装方式中，纵向管状延伸体61被同轴地装于纵向井孔27中，相外于管状体14防液密封，用来形成分别容纳探测器59和60的上、下密封空间63和62。
管状体14内部同轴安装的辐射源58将会极大地增强探测器59和60的探测强度。这种同轴装置不仅可以容纳具有大强度辐射输出的较大放射源，如镅铍，而且，其同心式布置也能使探测器59和60具有几何对称的输出响应。换句话说，源58构成了在测井工业中众所周知的一种坚固的电子加速器式中子发生器。如前所述，在装置10的优选实施例中，辐射源58安装于延伸体53的上端部打捞颈54下面。由于辐射源55和58能容易地从装置10上取下，这一点很重要，所以细长体53最好是一个柔韧的部件，诸如一鼋鼍 4和辐射源联接起来的比较坚硬的金属缆线。
为了在纵向井孔27内对辐射源55和58准确定位，定中心部件64装在延伸件61中，用来形成一个中心通道66，此通道上部轴向准直，以使钻体14内可取出部件53的上端部对准中心。中心通道66下面还连通一个向下倾斜部分65，此倾斜部分使可取出芯棒53的中部向井孔27的一侧倾斜，这样就使可取出件下部能够松动地卡于横向偏转的沿延伸件61一侧纵向延伸的通道68内，并与中心体28中的源盒47对齐。于是，可从图2中看出，虽然两相互联通的通道66和68共同矫正了管状体14内源55和58的位置，但凭借细长芯棒53的柔韧性和两通道过渡部分的弯曲形状，细长芯棒仍然可从钻体中容易地拆卸出来。因此，根据本发明的目的，将会发现拆卸辐射源55和58时，可通过钻杆柱11下放一合适的电缆钓杆(图中未示出)到管状体14的上端，直到钓杆确实挂住竖直钓颈54，就可完成此任务。进行上部或下部源55和58的拆卸时，不必拆卸任何电接头。另外，即使源55和58的拆卸可能使得放射性测井装置24失去作用，但钻具15还仍能起作用，可继续提供井下测量结果，因为它与两辐射源58和55都无关系。
只要辐射源55和58放置在本发明的装置10中，放射性测井装置24就可以工作，产生表示被钻头16穿透的地层18的密度和孔隙度的连续信号。另一方面，万一钻杆柱11被卡在井孔内，在试图修复整个钻井具之前，作为安全防护措施可将可取出棒53容易地从装置10中取出，并送回到地面。同理，即使在钻井操作过程中可取出棒53留在管状体14内，作为一个预防措施，可以很容易将可回收部分从装置10中取出，而不影响钻具15随后的操作，以获得与辐射源55和58无关的一个或多个的测量结果。万一钻头16钻进了一个有被卡住的危险的地层区域，此时钻井操作会停止一段足够长的时间，从而允许通过钻杆柱11下放一个电缆钓杆，挂到可取出棒53的钓颈54上。一旦源58和55被安全送回地面，井孔17的钻动操作就可恢复，同时也可以继续使用钻具15来测量其它井底情况，这些情况的测量不需要使用潜在危险的化学放射性源。
现在来看图3a，它示出了钻具在中子源58位置处的横剖面。可看出，源58是由支承件64装配于钻具的轴上的，支承件64同轴地安装于延伸件61的中心，可使向下流动的钻井液一般地在源58周围流过。
图3b给出了测井装置24中中子孔隙度部分的一个探测器阵列处的钻具横剖面。虽然图3b只给出了距离放射源较远位置的探测器，但可以理解，距源较近的探测器也可以有同样形式的配置。探测器阵列60最好由12个探测器组成，其中六个是一种探测器、另六个是另一种探测器。具体地说，探测器组60′可以是并联连接的He-3探测器，它对中子敏感。而探测器组60″可以是并联连接的盖革-弥勒计数管，用来探测热中子与地层物质的原子核及钻铤材料相作用而产生的γ射线。为减弱探测器对钻具中钻井液中发生的事件所产生的二次辐射的响应，有一个园筒状热中子和γ射线吸收器33置于探测器阵列内侧，各探测器和通道29内下流钻井液之间。吸收器33可以是镉或硼-10的薄层。
探测器组60′和60″最好是三个同类探测器为一组，即氦3探测组与盖革-弥勒探测器组。这种配置方式，使得在某一特定瞬间，每组探测器对其邻近某一角度范围的地层具有较大的灵敏度，利用这种角度灵敏度的优点，可从这些探测器得出与转角有关的信号，从而测出地层特性的方法变化。
用氦3探测器和GM探测器除可指示出孔隙度外还可得到其他信息。人们熟知，热中子强吸收剂，如氯，可降低热中子数量，从而降低氦3的信号，但同时增加了俘获γ射线的数量，因而增强了盖革-弥勒计数管的信号。因之，这两种信号可结合起来指示地层中的氯。
但是，测井设备24中装入氦3探测器并不是没有困难的。当有较大的加速度和冲击加到这种探测器上时，就会产生干扰信号或震颤噪声。若要在使用装有氦3探测器的中子密度法钻具进行钻进中成功地完成地层评价，那么，就要求把这种干扰减到最小或消除。至少有两个措施可用于解决这一问题。通常氦3探测器是将高电压接于中心导体，而外壳接地，这种结构要求有电容器来保持这两个元件间的电位差。遗憾的是这种电容器在大加速度的情况下易于产生震颤噪声。在本发明的优选实施方案中将一般的电连接方式倒过来，即将中心导体接地而使外壳保持在负高电压，从而消除震颤噪声源。这一措施虽然消除了电容噪声，但却要求氦3管的外部应与钻具的其他部分电屏蔽。
在实施方案中提出的第二个措施，是测定震颤噪声，以除去受影响的数据。在各种测定噪声的方法中，较好的方法是装一个对加速度敏感的加速度计69。可确定一个加速水平或阈值，超过这个阈值之上的不可接受的震颤噪声是由氦3探测器组产生的。要求这种加速度计的占有空间较小。当进行现场试验测试时，希望加速度小于100g′s时将不会产生震颤噪声，而当加速度大于250g′s时将产生较大震颤噪声使得所测数据必须消掉。
作为加速度计的一个代换，在空间允许的情况下，还可提供一个氦3探测器，在其中心导体与外壳之间在较小的电位差，或是没有内部氦3气体。这种无源探测器对中子不敏感，但会产生类似有源探测器的震颤信号，这种信号对于测定能产生加速度的震颤是有用的，并且可有效地选择删改或去除受影响的数据。最后的一个实际方案，是把有源氦3探测器屏蔽，或置于基本探测不到中子通量的位置，因此，对这种探测器来说，正常中子所产生的输出信号为零，所以实际输出信号指示的就是噪声。
上面讨论了关于处理震颤噪声的实际措施，利用盖革-弥勒探测器(这种探测器没有震颤噪声)的信号，来帮助探测和/或消除来自氦3信号的震颤噪声的影响，至少是可以部分地处理这种噪声。当盖革-弥勒探测器的灵敏度显著地小于氦3探测器时，我们总能鉴别出氦3探测器输出信号中的某些信号(如一些尖峰)是GM探测器输出信号中所没有的，这只能是氦3探测器产生的震颤噪声，这样，就可将盖革-弥勒管产生的信号作为平滑功能用于信号处理，对氦3探测器产生的信号进行平滑处理，以消除这些噪声信号。这种措施的优点是与那种忽视掉受颤音影响的数据的方法相反，所有的数据都被利用了。
现在来看图2中测井装置24中γ射线源55近旁的情况，这里有一个辅助γ射线探测装置70，它是屏蔽着的而且处于这样的位置，即几乎所有被测到的γ射线在穿过充有钻井液的通道29之后才照射到探测装置70上。探测装置70可以如图所示那样放在通道29与γ源55相对的一侧，也可以与γ源55置于通道29的同一侧，但是要在探测器远离钻井液通道的一侧用屏蔽将其隔开。这种配置方式的结果，使照射到探测装置70的γ射线被通道29中心钻井液所衰减，因此探测器的输出信号就是钻井液密度及其光电吸收俘数的指示。探测装置70最好包含一对盖革-弥勒探测器，其中一个是选通的，以鉴别低能γ射线，另一个是非选通的。这种配置可测定因钻井液密度和光电吸收(P.E)而产生的衰减效应。
要想改进地层密度γ测定法，更好地补偿“间隙”或空洞(Cave)效应，就需要知道钻井液所造成的γ射线衰减。为对钻井液衰减效应进行校正，要得出从远探测器31和从近探测器30计算出的地层密度之差。这个差值与一个增量有一定的函数关系，这个增量应该加到远探测器所测的密度值上，并且可从一族经验曲线上得出。曲线族的每一条都相应于一种因其密度和光电吸收不同而具有不同γ射线吸收特性的钻井液。因此，为对测定的地层密度进行适当的校正，了解钻井液的密度和光电吸收系数是很必要的。
另一种密度测定校正也常常是必要的。如早已熟知的，密度值可从被地层物质电子康普顿散射的γ射线的测定值得出。测井装置24的源55之外的任何放射源发出的γ射线都会导致错误的结果。人们也熟知许多地质地层都具有天然放射性(特别是页岩)并能产生天然γ辐射。如上所述，这种本底辐射会干扰密度测定值。为解决这一问题，这里提出一种装置来鉴别由探测器30和31检测到的γ射线信号中的天然本底部分，并根据这个鉴别出的本底来进行校正。在描述这种辅助校正之前，先对γ射线探测器30和31的探测系统作一概述。
由于近探测器30离γ射线源55很近，所以它的γ射线探测计数率很高，因而实际上从地层发出的天然γ射线本底不会形成什么显著的本底问题。因此，近探测器30只装有一个小的铯137单能标定源，它发出662千电子伏标定γ射线。所测γ谱可以根据需要分为任何多个便于谱分析的窗口。例如在本优选实施方案中，分为下列能量窗口50-100千电子伏，100-150千电子伏，150-300千电子伏，一对跨过662千电子伏标定能量的60千电子伏窗口，以及一个用于分辨率测定、在标定窗口之上的60千电子伏窗口。在电缆测井技术中已知，40-80千电子伏窗口可用于测定与岩性学有关的光电吸收效应，150-300千电子伏窗口用来测定地层密度。
另一方面，远γ射线探测器31(NaI闪烁晶体与光电倍增管匹配)距离源55足够远，以使地层天然本底引鸬募剖煞葑钜壮ィ佣玫接胖实拿芏炔舛āＴ谔讲馄 1的邻近处设置了一个小的镅单能放射源，发出低能60千电子伏的单能γ射线，用以获得远探测器的增益稳定。还设置有对所测γ射线信号进行谱分析的装置，这种用于远探测器31的谱分析最好也利用多个能量窗口一对围绕60千电子伏的小窗口，该60千电子伏是用于增益稳定的稳定峰;150-700千电子伏密度窗口，400-800千电子伏窗口，其作用以下将要描述。已知增益稳定性是通过确知稳定源发出的单纯γ射线的能值，鉴定所测能谱上的相应的峰，调节探测器电路的增益，直到检测峰的位置与稳定源的已知能值相符为止来实现的。
装在远探测器31上的稳定源发出能量很低的γ射线，因而可确保能谱中没有来自稳定源的高于该值的谱段。400-800千电子伏窗口的较低阈值(400千电子伏)的确定是由于在此窗口内几乎没有任何康普顿散射的γ射线。因而，可以肯定地说所有探测到具有400千电子伏阈值以上或处于400-800千电子伏能量的窗口内的γ射线，都是来自地层的天然放射性衰变，而且包含着不需要的本底。因此，本底信号由具有400千电子伏能量阈值以上的γ射线确定，而地层密度信号则由具有150-300千电子伏能量窗口的γ射线得出，然后本底信号用来校正密度信号，从而基本上消除本底对密度信号的影响。例如将本底信号乘以一个由经验测定的系数，然后从150-300能量窗口得出的密度信号的计数中减去此值，以产生一个改善的密度计数率，此计数率是以已知的方式与近探测器30测得的150-300千电子伏信号相结合而得到的地层密度的指示。
在许多实例中，钻进时地层评价的核测井设备都装入钻杆柱中，这种钻杆柱装备有带磁力计和加速度计的勘测设备，以探测钻杆柱的倾斜度和方位角。此勘测设备的磁力计用来探测可能由磁性材料制造的钻杆柱部件所产生的磁场。因此，在某些情况下，测井装置24的钻铤希望用非磁性材料制造。然而遗憾的是在测井试验中观察到，一般非磁性材料钻铤对γ-射线探测器60″的测量值带来了附加的干扰，特别是，已被地层热化的中子除使地层活化之外还会和非磁性钻铤作用，从而使其活化。钻铤中被活化的核，特别是元素锰，按其半衰期衰变，同时产生衰变的γ射线。这种活化γ射线被γ探测器60″探测到，从而形成不需要的本底，增加了探测器的计数率，如果不对其补偿，就会使从γ探测器测定的孔隙率误差性变低。这种不需要的本底取决于在此之前钻铤被热中子流照射的情况。除了化学源58发出的高能中子通量的稳定度因素之外，照射到钻铤上的热中子通量与地层的孔隙度和井孔环境有关，因为能引起活化的热中子数目取决于地层对中子源产生的高能中子的热化能力。
已经提出了一种补偿技术，可以对活化本底的俘获γ孔隙度测定值进行补偿。所用钻具的特点是中子探测器66′和γ探测器66″都设在距源58相同的距离处。尤其是，热中子氦3探测器基本上对γ射线不敏感，所以它的输出是精确热中子通量的记录，反映了活化γ射线本底的大小，而此本底干扰着俘获γ射线法的孔隙度测定。
从探测器60′所测计数信号减去的活化本底，可以由下述校正算法确定，活化本底是探测器60′测得的热中子通量累积值的函数
Δte-λMN(N-i)Δt其中CACT活化计数Δt累积时间间隔Cni在时间间隔i内的中子计数率λMNMn-56衰变常数a，b经验测定常数虽然这里只描述了本发明的一个实施例和一种实施模式，但是很明显，可能有许多变形和改进而不离开本发明及其扩展的基本原理。因此，所附权利要求的目的是复盖所有这些与本发明实质相同且在本发明范围内的修改和改进。
权利要求
1.一种用于探测钻井时井孔周围地层性质的放射性测井装置，包括一个与钻杆柱相连接的，并且可使钻井液从中流过的管状钻铤，和一个放射性探测器，其特征在于包括一个位于所述钻铤中⒖纱幼觐钌隙俗叭牒腿〕龅暮朔湓矗灰桓鎏讲夂腿コ敫貌饩璞柑讲獾牡夭阈灾饰薰氐谋镜子跋斓淖爸谩
2.如权利要求1所述的放射性测井装置，其特征在于所述核辐射源是一高能中子源，置于所述钻铤之内，在其园筒轴上，并且可使钻井液从其周围向下流过，所述辐射探测器包括位于所述管状套筒内，环形阵列配置的多个探测器，其园筒轴与所述管状体同轴，并且可使钻井液流过此阵列。
3.如权利要求2所述的放射性测井装置，其特征在于所述放射性探测器包括一个氦-3探测器，所述探测和去除本底影响的系统包括一个检测所述氦-3探测器中所发生的震颤噪声以及在检测到震颤噪声后去除氦-3探测器所产生的信号的装置。
4.如权利要求3所述的放射性测井装置，其特征在于所述震颤噪声检测装置包括一个加速度计，用以检测大于预定阈值的、在所述氦-3探测器上引起震颤噪声的加速度。
5.如权利要求3所述的放射性测井装置，其特征在于所述震颤噪声检测装置包括一个氦-3探测器，它在所述设备中位于基本上探测不到所述源发生的中子的位置上。
6.如权利要求3所述的放射性测井装置，其特征在于震颤噪声检测装置包括一个不连接于其常用高电源电压的氦-3探测器。
7.如权利要求3所述的放射性测井装置，其特征在于所述震颤噪声检测装置包括一个中心导体接地，外缘接负高压的氦-3探测器，在氦-3探测器周围有高压电绝缘。
8.如权利要求1所述的放射性测井装置，其特征在于所述核辐射源是-γ射线源，它位于所述钻铤内钻铤园筒轴的一侧，可使钻液从其一侧流下;还有第一和第二γ射线闪烁探测器以及外流体排除器与其相连，所说流体排除器包括γ射线透明窗，可使γ射线穿过所述排除器射至所述探测器。
9.如权利要求8所述的放射性测井装置，其特征在于包括一个γ射线探测器装置，它位于所述钻铤内，它跨越内钻井液通道与所述源相对，用以探测穿过钻井液的γ射线。
10.如权利要求9所述的放射性测井装置，其中所述γ射线探测器装置用于探测穿过钻井液的γ射线，其特征在于包括一个测定光电吸收系数及流经所述管状体内钻井液密度的装置。
11.如权利要求8所述的放射性测井装置，其特征在于所述探测及消除本底影响的装置包括一个离所述γ射线源最远的一个γ射线探测器相连接的装置，用来将所述γ射线的能量与350-400千电子伏范围的能量阈值相比较，并将超过所述阈值的γ射线作为本底计数;所述γ射线探测器中的另一个包括一个γ射线稳定源，它发出具有低于所述阈值能量的γ射线。
12.如权利要求8所述的放射性测井装置，其特征在于包括一个响应于最靠近γ射线源的一个γ射线探测器，用以得出γ能谱，从而导出光电吸收系数的装置;所述最靠近γ射线源的γ探测器包括一个能产生300千电子伏以上能量的γ射线单能稳定源。
13.如权利要求2所述的放射性测井装置，其特征在于包括第二个γ射线辐射源，它置于所述钻铤之内其园筒轴的一侧，可使钻井液在其一侧向下流过，还包括第一、第二γ辐射闪烁探测器及与之相连的外部流体排除器。所述流体排除器包括γ射线透明窗，以使γ射线穿过所述排除器射至所述探测器。
14.如权利 3所述的放射性测井装置，其特征在于包括一个装置，它用来产生因装置的中子活化而发出的γ射线信号指示，以及产生已对所述活化影响加以校正的地层孔隙度的信号指示。
全文摘要
本发明介绍了连接于钻杆柱(drill string)用来进行地层评价的一种钻进时测量的核装置及其使用方法。中子源装于该装置的圆筒轴上，而一个相连的γ射线源偏心地置于圆筒状装置的内侧。两源均可在轴向沿内侧取出。新颖的源一探测器结构提供了一个MWD(钻探时测量)的环境。通过钻键(drill col-lar)和外部流体排除器(稳定器)，在γ射线源和闪烁探测器之处安装有γ射线透射窗。中子探测器可以是与源等距离的两种不同类型的探测器。对于钻井时产生的震颤噪声和天然γ射线本底的影响进行了校正。测定了钻井液密度，用以实现对“井孔”(borehole)或“间隙”(standoff)效应的补偿。
文档编号G01V5/12GK1034405SQ8810857
公开日1989年8月2日 申请日期1988年12月14日 优先权日1987年12月14日
发明者彼得·赖特, 爱德华·马利恩巴哈, 让-米歇尔·哈奇, 艾力克·莱恩-努森, 迈克·埃文斯 申请人:施卢默格海外有限公司