[发明专利]随钻测量用的基于加速器的方法和装置

说明书

本发明一般来说涉及在钻穿地下地层的同时研究该地下地层，更具体地说，涉及钻井时基于中子加速器进行测量的方法和装置。就其最广泛的意义来说，所公开的某些技术也还涉及电缆测井。

借助中子通量随距中子源的距离衰减来测量一个井眼四周的地下地层的孔隙度在电缆测井领域中是众所周知的。特别是超热测井下井仪对地层中的氢密度或浓度敏感。由于一般是在地层流体中发现氢，氢浓度与地层的孔隙空间的量有关，因而就与地层的孔隙度有关。不过，对于给定的孔隙度，岩石骨架密度的增加(保持相同的骨架化学组份)可导致超热中子探测器计数率(例如，对于60cm的源至探测器间距)减少。对于给定的岩石骨架密度如果增加孔隙度时，这种计数率变化所呈现的方向相同。这样，中子孔隙度测量本身不能清楚地确定未知组份地层的孔隙度。

因此，在电缆测井中，传统上通过使一个基于γ射线康普顿散射的第二下井仪与中子孔隙度下井仪下降相同的深度间隔，对所感兴趣的地层的体密度进行测量。岩石骨架密度的增加也会导致密度下井仪中探测器计数率的减少。另一方面，对于给定的岩石骨架密度，如果孔隙度增加，则密度下井仪探测器计数率增加。这样，岩石骨架密度和孔隙度的变化对中子孔隙度和康普顿散射密度下井仪有一些互补的效应，可通过绘制这两种下井仪的响应曲线的交会图来抵消这些效应。利用这样的一些交会图，可解决物理问题，并可确定岩石骨架密度和组份(岩性学)的变化。因为基岩孔隙空间中含有气体也影响中子孔隙度和密度下井仪的响应曲线，因而对于某些情况，就可以借助中子/密度交会图来检测气体的存在。

尽管这样的一些电缆孔隙度和密度测井下井仪提供了许多有关地下地层的有用信息，但只有在钻孔完成并去除钻具组之后才能使用它们，这可能在钻孔完成后数小时或甚至数天。结果，地层和钻孔可能发生了变化，这变化掩蔽或掩盖了重要的所研究的岩石物理性质。例如，洗井液浸入地层和在钻孔壁上形成泥饼这两者都会对许多测井测量产生副作用，这许多测井测量包括γ射线体积密度测量和中子孔隙度测量。这两种测量也受到泥饼密度的影响，以及受到可能会出现的钻孔壁的脱落或坍塌的影响。电缆测井仪的另外一些缺点包括钻井时间和花费上的损失以及升降钻具组的延时，升降钻具组是为了把电缆测井仪下降到钻孔内。因此，如果在进行钻井操作本身同时能进行密度和中子孔隙度测量，这会是相当有益的。

已有技术中，已作出一些努力来提供在钻进同时的核(γ射线密度或中子孔隙度)地层评价，例如，见美国专利No.4,596,926、No.4,698,501、No.4,705,944、No.4,879,463以及No.4,814,609。不过，传统的体积密度测量技术需要γ射线源，通常为一个¹³⁷CS同位源。传统的中子孔隙度测量技术同样采用一个同位素化学源，例如^AmBe。从辐射安全性来看，这样的一些放射性化学源具有一些明显的缺点。特别是在涉及应用到随钻测量的情况时，在此，操作条件使得放射源更可能丢失，并且它的找回比传统电缆测井操作更困难。的确，前述的那些有关随钻测量的已有技术的专利相当部分集中于防止丢失或如果丢失，恢复这样的化学源上。

尽管最近已开发了基于加速器的电缆孔隙度下井仪，例如，见Albals等人的美国专利No.4,760,252，这样的一些下井仪并不能直接转用于随钻测量，原因在于在这些应用中存在的大量钢和洗井液对下井仪响应曲线的干扰效应。况且，对于密度测井，目前没有取代¹³⁷CSγ射线源的实用且经济的基于加速器的另外装置。因此，就需要一种钻井时测量用的采用加速器的下井仪，这种下井仪不需要传统的中子孔隙度和体积密度下井仪的放射性化学源。

按照本发明，通过提供随钻测量用的装置和方法，满足了现有技术的前述和其它一些要求，该装置包括一个在钻具组钻铤部分中的高能(优选14Mev)中子加速器、以及至少一个与该加速器间隔开的辐射(中子或γ射线)探测器，该探测器用于测量来自周围地层的中子辐射结果。在一个优选的实施例中，在钻铤中配置一个用于监测中子源能量的近距中子探测器、一个主要是对地层氢浓度敏感的中距的超热中子探测器、以及一个比该超热中子探测器对地层密度更敏感的远距探测器。近距探测器的输出用来规范其它探测器相对于源强变化的输出结果。以一种在构思上类似于传统的中子孔隙度-密度交会图的方式，把经规范的中距超热中子探测器的输出和经规范的远距探测器的输出结合起来，以获得地层孔隙度、体积密度和岩性的测量结果，和/或探测气体。进行测量，并把测量结果记录为在该钻孔中的钻孔深度、以及钻孔倾角或方位角的函数。