[发明专利]利用脉冲中子仪器的改进岩层密度指示器的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及油气井的测井仪器。尤其是，本发明涉及利用脉冲中子源产生的γ射线测量岩层密度的仪器。本发明涉及可用于有套管钻孔和无套管钻孔的改进密度仪器。

背景技术

在石油和碳氢化合物生产中，需要知道包含碳氢化合物贮藏的地下岩层的孔隙度。在计算含油饱和率和该贮藏内现存油量的体积时，知道孔隙度是至关重要的。在孔隙度信息是不充分或不存在的旧油井中，为了确定剩余的地下原油和确定是否存在足够的原油以确认施加增强的恢复方法，知道孔隙度是特别有用的。孔隙度信息也有助于识别井口气层和区分低孔隙度液体与气体。

若岩层密度是已知的，则利用已知的公式可以确定孔隙度。存在各种可以确定贮藏密度的仪器。如果仪器工作的钻井内有不安装套管的贮藏物，且该仪器能够接触地下媒体本身，则这些仪器中的绝大多数仪器对于确定贮藏物密度(和孔隙度)是有效的。然而，一旦在油井中安装了套管，则在放置仪器的钻井内部与岩层本身之间有一层钢和混凝土。油井套管可以使信号很难在仪器与贮藏物之间传送。此外，水泥可以干扰岩层性质的测量结果。

人们已建议利用化学放射性源的装置以产生响应信号，该装置类似于商品化的无套管钻孔装置。由于比较复杂的钻孔环境，这在有套管钻孔中是普遍存在的，化学放射性源仪器有受限的响应，以及诸如研究深度的参数是受到限制的。由于油井套管引入在阻抗，计数率也是很低的。由于利用强放射性源的安全性问题，增大放射性源的强度是不理想的。在利用强放射性源时，污染问题也是人们十分关心的问题。此外，大量有套管的钻孔在套管内包含铺设的管道。在包含管道的钻孔中，因为不能使仪器与钻孔侧面接触，即使化学放射性源的仪器不是在这种情况下工作，由于发射的粒子需要寻求一个低密度通道，这些粒子就容易迁移到钻孔侧面与管道之间的环形区。

不同的方法涉及检测在岩层中产生的γ辐射以响应高能中子源，它称之为诱导的γ射线测井。在利用脉冲调节中子源时，两个反应中的一个反应可以产生γ射线，第一个反应是快中子的非弹性散射(能量在约1MeV以上或在约一个数量级内的中子)。第二个机构是由于超热中子的俘获(能量约为1eV的中子)。第三个机构是由于热中子的俘获(能量约为0.025eV的中子)。快中子的寿命是非常短的(几微秒)，因此，在源脉冲期间，存在一个混合能量的中子场。在脉冲猝发之后不久，所有的中子减慢到热能水平，且这些热中子在被俘获之前一直在漂移，其寿命是几百微秒。来自非弹性散射的γ射线是在加速器邻近产生的，而来自热俘获的γ射线是在远离加速器处(高达几十厘米)分散的。俘获γ射线的数目是受氢数量和岩层的热中子俘获截面的强烈影响。在非弹性散射中产生的γ射线数目与这些量没有很大的关系，且这种γ射线的测量结果是与岩层密度有直接的关系。利用脉冲中子源可以使俘获γ射线与非弹性散射的γ射线分开，从而给出较好的密度估算。在授予Odom et al.的US5900627和在授予Badruzzaman的US5825024中给出脉冲中子源的例子。

传统上，利用两个γ射线检测器进行岩层密度测量。在无套管钻孔的情况下，近检测器和远检测器所作的密度估算ρ_SS和ρ_LS用于得到校正的密度估算，其中利用以下公式表示的spine and rib方法：

ρ-ρ_LS＝Δρ＝f(ρ_LS-ρ_SS)    (1)，

其中f(.)是非线性函数，它取决于仪器与井壁的间隙或仪器与岩层之间的泥饼量，并利用定标过程确定。这种双检测器安排能够补偿与井壁的间隙(在MWD应用中)和泥饼厚度(在钢丝绳应用中)。在利用脉冲中子源时，还必须校正因源强度的变化，因此，二检测器安排仅仅给出单个密度估算，例如，它基于两个检测器输出的比率。

在有套管钻孔中进行测量时，由于存在套管和水泥而使复杂性增大。为了探测岩层，中子必须从仪器中射出，传送通过套管和水泥并散射，或在形成的γ射线传送之前在岩层中被俘获，传送返回通过水泥和套管，最后再进入需要被检测的仪器。因此，代替仅仅是泥饼校正(无套管钻孔的钢丝绳)或井壁间隙的校正(MWD)，有套管钻孔的密度仪器必须能够校正或补偿水泥和套管，它的影响大于泥饼的影响。授予Moake的US 5525797公开一种利用化学γ射线源的三检测器仪器，它可以校正套管的影响。Moake装置的缺点是需要相对高能的化学源(安全性问题)，并需要测量γ射线的强度(代替计数率)。