地层的近场灵敏度和利用井眼中的径向分辨率的水泥孔隙度测量的制作方法

本发明一般涉及地层的近场灵敏度和利用井眼中的径向分辨率的水泥孔隙度测量，并且特别地通过非限制性实施例而涉及如下的方法和手段：在未显著地增大工具的长度或直径或由此将功耗增大到无法维持的水平或缩短发生器管的寿命的情况下，大体上增加用于在中子孔隙度井眼测井(logging)中使用的氘-氚脉冲式中子发生器的输出。

背景技术：

f.m.penning在us2,211,668中公开了一种中子发生器，该中子发生器由低压力氘填充式封壳组成，该封壳容纳安置成与轴向地取向的磁场离子源电磁通信的阴极和阳极、核反应产生靶以及一个或多个加速电极，已公布公开额外的控制机制和改进的各种其它参考文献。然而，大多数的已知技术依赖于使用“penning”离子源，并且已在用于井下油气井中子测井的各种中子发生器管中广泛地采用。

最广泛使用的离子源类型是penning类型，penning类型具有如下的优点：penning类型是稳健的，结果具有冷阴极和长久的操作寿命，在低压力下产生相当大的放电电流，处于10安/托的数量级，具有20至40%的高引出(extraction)效率，并且具有小的物理尺寸。这种类型的源要求与电离室的轴线平行的处于千高斯的数量级的磁场，这引入离子流密度在放电部的内部中并且处于沿着场和源的共同的轴线发生的引出的水平(level)处的相当大的横向不均匀性。

中子发生器管一般构造为密封管，密封管容纳处于低压力的氘和氚的气体混合物，离子源通过该气体混合物形成封闭的电离气体。发射(或引出)端口设于阴极中，而加速(和引出)电极致使有可能将离子束轴向地投射到靶电极上。

聚变氘-氚反应为³h+²h→⁴he+n，这供应14mev的中子，所述中子由于其处于较低的离子能量水平的有效截面表面大而最广泛使用。然而，无论使用什么反应，随着朝向致密靶本身导向的离子的能量增加，通过束的每单位电荷获得的中子的数量都始终成比例地增加到远远超出在以几乎不超过250kv的高电压电位馈电(fed)的目前可利用的密封管中获得的离子能量。在几乎所有井眼中子孔隙度测井操作中，由于关于在如典型地要求的小的33/8”或111/16”直径的压力壳体的范围内产生并且控制较大的电位的问题而导致反应限于90kv的最大值。供应2mev的中子的氘-氘反应将用于要求调查深度显著地更小的近场测量(诸如，环绕井眼的水泥结构的中子-孔隙度测量)，以便有利于在钻井和插塞以及放弃操作的期间的井整体性评价。然而，在考虑合适的绝缘体的电气介电击穿强度时，氘-氘反应典型地依赖于超过160kv的管电位，这是关于工具壳体的前面提到的几何约束条件的问题。

离子轰击对靶的侵蚀是决定中子发生器管的操作寿命的主要约束条件中的最具决定性的因素之一。侵蚀一方面是靶的化学组成和结构的函数，而另一方面是入射离子的能量和入射离子在碰撞表面上的密度分布廓线的函数。在大部分情况下，靶由能够形成氢化物(钛、钪、锆、铒等等)并且在不存在不允许的对靶的机械强度的干扰的情况下结合和释放相当大的量的氢气的材料形成，并且，总量界限是靶的温度和管中的氢气压力的函数。所使用的靶材料以厚度受层在其支撑件上粘附的问题限制的薄层的形式沉积。使靶的侵蚀减慢的手段例如在形成活动吸收层中由通过扩散阻挡层而彼此绝缘的完全相同的层的叠置组成。活动层中的每个的厚度处于将撞击靶的氘离子的穿透深度的数量级。保护靶并且因而延长管的操作寿命的一种方法将为以这样的方式对离子束造成影响，以便于改进碰撞表面上的离子束的密度分布廓线。在恒定的在靶上的总离子流(其导致恒定的中子发射)下，该改进导致遍于靶的暴露于离子轰击的整个表面上的尽可能一致的流密度分布。然而，仍旧限制现代的中子发生器管的问题是从管的靶表面去除热能。已知的是，撞击靶并且引起期望的核反应的离子束的能量如果太强，则将导致高温溅射和靶的热失效并且因而导致中子发生器管的失效。结果，大部分的现代的中子发生器管限于80-100kev的管电位和30-50ua的束电流。由此产生的输出中子(14mev)数量属于每秒5x10⁷至1x10⁸中子的范围内。

典型的中子孔隙度测量将在0至60孔隙度单位(p.u.)的范围内操作，其中，100%p.u.将被视为简单的无穷大的体积的环绕工具的水。典型的对于测量而要求的准确度将对于小于10p.u.的测量而为+/-0.5%，对于10p.u.至30p.u.的范围内的测量而为+/-7%，并且在30至60p.u.的测量范围中为+/-10%。由于对匹配或改进这些准确度的统计要求高度地取决于所探测到的信号，所述信号又高度地取决于发生器的输出中子率，因而大部分的测井速度限于1800英尺每小时。可达到3600英尺每小时的测井速度，但处于测量的准确度不足。

现有技术既未教导能够被采用来使管的有效输出倍增而未增大高电压电位并且未缩短管的寿命的实用方法或手段，也未教导用以测量近场和远场物理成分，以致于能够确定对于测量的分辨率的不同的径向分量(即，超过“1”的径向分辨率)的方法或手段。而且，已知技术均未教导用以在操作期间在各种聚变物理成分类型之间选择性地切换的方法或手段。此外，已知技术均未教导用以在操作期间在各种聚变物理成分类型之间交替的方法或手段。

penning的us2,211,668公开了具有压力相同的多个互连部分的放电管。在发生于一个部分中的辉光放电中产生离子，并且在另一部分中使离子加速，并且，离子最后撞击碰撞盘，碰撞盘容纳确定的(definitive)化合物，以产生核反应。

frentrop的us3,546,512公开了一种永磁体，通过将铁磁材料加热到发生不可逆的剩磁损失，但低于材料效应大体上减少或去除所有剩磁而未进一步特殊热处置的温度的温度，从而该永磁体被除气，以便在受控制的环境下使用。从磁体的被加热的表面放出的气体然后被抽空。永磁性质未被该热处置破坏，并且，随后通过使除气的材料磁化而产生相当强的磁场。本公开的具体实施例使中空圆柱形离子源磁体能够放置于小型中子发生器的封壳内，以提供磁场和离子源电极两者。组装的发生器然后被除气并且密封。随后的磁化使电极能够产生离子发生所需要的高强度磁场。

etheridge的us4,996,017公开了一种中子发生系统，该中子发生系统包括容纳可电离气体的气密地密封的壳体、以及penning离子源的环式阳极和靶阴极。壳体设有凹陷部，该凹陷部相对于环式阳极和靶阴极而轴向地取向，并且适于接受可去除的钐/钴磁体，以致于在不存在永磁体的情况下，能够执行壳体的脱气和密封。

bernardet的us5,215,703公开了一种中子发生器管，该中子发生器管包括离子源，离子源具有：至少一个阳极；至少一个阴极，其具有至少一个引出端口；以及加速器电极，其如此布置，以便于将至少一个离子束从离子源投射到靶上，以在该处产生导致中子的发射的反应。离子源布置于第一转动表面的至少一部分上，并且如此构造，以便于产生离子从这样的表面径向地向外的发射。加速器电极布置于环绕前述的第一表面的第二转动表面的至少一部分上，靶定位于环绕前述的第二表面的第三转动表面的至少一部分上。由此对于给定大小的发生器管而达到增大的中子通量，并且，对于给定的中子通量，在靶处产生显著地减小的离子轰击密度，并且因此达到延长的靶寿命。

teague的us8,481,919教导如下的方法和手段：出于在储层测井中置换化学源的目的，通过连续地提高dc参考，并且产生高电位场控制表面，以便控制双极或单极x射线管，从而产生并且控制必要的电功率。teague还教导可移动/可操纵束硬化过滤器和源上的旋转灯塔准直以及包括sf6的气态绝缘体作为井下x射线发生器中的电气绝缘体的使用。

guo等人的us9,575,206公开了能够用于评价地下井结构的各种性质的中子活化测量技术。在示例性实现方案中，测井工具能够定位于井筒内，以致于通过中子源而发生的中子朝向井结构被导向。响应于中子，井结构发射γ射线。γ射线的一部分能够被γ探测器探测。为了增强井结构对中子活化的响应，井结构能够由包括一种或多种掺杂材料的材料构造。

最后，perkins的us9,472,370公开了一种中子辐射发生器，该中子辐射发生器包括至少三个引出器电极，至少三个引出器电极的上游的离子源将朝向至少三个引出器电极沿下游方向发射离子。在至少三个引出器电极的下游存在靶。至少三个引出器电极具有可独立地选择的电位，以便于通过可独立地选择的电位而允许朝向靶的不同的纵向区域和侧向区域的由离子形成的离子束的方向。

技术实现要素：

提供一种中子孔隙度工具，该中子孔隙度工具具有电子中子发生器组件和控制机制，该控制机制用于将电压和脉冲提供给电子中子管，以便在井筒环境中从同位的靶平面两个中子反应平面的输出，中子发生器组件包括：至少一个真空管；至少一个离子靶；至少一个射频腔；至少一个高电压发生器；至少两个中子探测器；至少一个脉冲发生器电路；以及至少一个控制电路。

还提供控制具有电子中子发生器组件和控制机制的中子孔隙度工具的方法，该控制机制将电压和脉冲提供给电子中子管，由此实现产生两个不同的中子能量，以提供孔隙度的径向辨别(discrimination)，该方法至少包括：控制双极中子管，以产生两个不同的中子反应；使用控制电路来修改脉冲发生器电路的输出；以及使用多个中子探测器来确定地层响应偏移。

附图说明

图1图示位于套管式井眼内的井下工具壳体，其中，套管彼此用水泥黏合并且用水泥黏合到地层；在此示例中，两个球图示高中子能量和低中子能量的在调查深度上的差异。

图2图示典型的脉冲式中子管的示意布局。

图3图示双极脉冲式中子管的一个实施例，其图示使两个高电压发生器组合以不改变井下工具壳体的外径就产生更高的管电压的能力。

图4图示单极脉冲式中子管的一个实施例，其图示利用共同的靶电极来使两个管组合到单个封装件(package)中的能力。进一步图示在使用单个发生器时有效地使单靶式平面的输出倍增的能力。

图5图示可以用于控制带有共同的靶的一对管或单极管的脉冲方生方案(pulsingscheme)的两个实施例。进一步图示通过将脉冲方生方案选择成共同的靶而选择中子爆发能量的能力。

图6图示双极脉冲式中子管的一个实施例，其图示利用共同的靶电极来使两个管组合到单个封装件中的能力，其中每个管能够产生不同的管电压。进一步图示能够选择哪个管以及因此哪个能量中子将通过使用两个脉冲发生器和射频腔由共同的联动靶(linkedtarget)发射。

具体实施方式

本文中所描述的方法和手段使脉冲式中子发生器能够在井眼的环境内，在维持单个电抗平面的同时，大体上增加其输出并且在输出中子能量之间迅速地切换。提供给所述中子管供电的高电压发生器和各种中子管几何结构的控制机制，该工具至少包括脉冲式中子管、射频腔、高电压发生器以及用以选择性地切换所述射频腔的电子脉冲方生方案。

现在参考附图，图1图示位于井下工具压力壳体[101]内的电子中子源，井下工具压力壳体[101]位于以井或钻井流体[102]填充的井套管[103]内。第一井套管[103]用水泥[104]黏合到另外的套管[105]，套管[105]又用水泥[106]黏合到井地层[107]。所产生的中子[108、109]的能量确定测量的调查深度，并且因此确定最佳灵敏度的探测器的偏移。在此示例中，通过氘-氘(dd)反应而产生的较低能量的中子将产生对近场区域[108](诸如，紧邻地环绕井眼的水泥[104])内的孔隙度改变更敏感的测量。然而，通过氘-氚(dt)反应而产生的较高能量的中子将对近和外场区[109](诸如，井的地层[107]和外部水泥黏合式套管环[106])敏感。dd测量与dt测量之间的偏差能够用于指示增大的孔隙度(如能够被水泥中的流体通道预期)是否位于近场区[108]或外场区[109]中。

图2图示现代的中子孔隙度测井工具的典型示例，其中，近空间[201]和远空间[202]中子探测器连同中子管[203]位于工具壳体内的轴线上。“补充(replenish)”电流[206]引起在管[203]内的真空室内产生氘气。该室内的射频(rf)腔由脉冲发生器电路[205](例如，在1khz和10%占空比下操作)驱动，脉冲发生器电路[205]用来使氘气电离成带正电荷的氘核，这些氘核朝向负极板栅加速，由高电压发生器[204]供电，并且加速到靶上。靶典型地是掺杂有氚的金属卤化物，以致于用氘核轰击氚原子产生氦离子和14.1mev中子。脉冲发生技术意味着，产生中子的脉冲，并且，近[201]空间探测器和远[202]空间探测器在当发生器未发生脉冲以收集从周围的地层返回但未被直接地从源到达的主中子淹没的信号时的时间的期间操作。为了达到该效果，脉冲发生器信号典型地用于对探测器的响应进行门控。

图3图示一个实施例，其中，除了靶[引出器]电极由负高电压发生器[306]保持于-85kv处之外，源管[304]内的阴极(灯丝)也由正高电压发生器[305]保持于高直流电流电位(例如，诸如85kv)处。结果将是，如果靶掺杂有氘，则跨过管[304]腔的190kv的电位差足以实现dd反应(2mev)。居中空间(mid-space)探测器[302]能够添加于近[301]空间探测器与远[303]空间探测器之间，以致于使对于2mev中子物理成分的灵敏度优化。在另一实施例中，脉冲发生器的dc电平升高到高正电位，以致于rf腔与靶电极之间的电位差处于足以使氘核加速至聚变能的电位下。在另一实施例中，靶掺杂有氚和氘两者，以致于dt或dd-dt输出能够由控制电路通过简单地启用或禁用非靶倍增器[305]而选择。

图4图示一个实施例，其中，中子发生管[403、404]围绕靶成镜像(mirrored)，以致于单个高电压发生器[405]被要求(即使两个物理靶为不同并且单独的，也)利用共同的靶电极来操作管的两半。通过使用彼此异相的两个脉冲发生器[406、407]，从而有效脉冲率将倍增，由此使来自一对同位的靶的输出中子通量倍增。该效果确保对于联合的管的靶区域是同位的。在功率方面，高电压发生器的束电流递送将有效地倍增，但带有来自每个半管[403、404]的交织的一半贡献。

图5图示图4中所图示的联合的共同的靶区域方案(scheme)的示例性实施例。单个脉冲发生体制(regime)[501]图示为接地[504]与高电压输出[505]之间的电压随时间[503]而变化的函数。带有共同的接地[504]的两个脉冲发生器电路将在所设置的频率和占空比下操作，但脉冲发生器的每一侧与另一侧[502]异相[π/2]地操作，以致于正高电压[506]输出与负高电压[507]输出异相。在另一实施例中，脉冲发生器彼此同相地操作。

图6图示示例性实施例，其中，额外的高电压发生器[607]被包括在联合的管[604、605]的一侧上，并且，相关联的靶掺杂有氚和氘两者，并且，如图5中所图示的，使用交错式脉冲发生器方案，以致于出自靶的中子的每一个脉冲在14mev中子与2mev中子之间交替。以此方式，居中空间探测器[602]和远空间探测器[603]的响应个别地被门控成脉冲发生器[609、610]的由控制电路控制的单独的定时信号，以致于对于近场和远场孔隙度响应的单独的廓线在同一次测井运行的期间被确定。

在一个示例性实施例中，近空间、居中空间以及远空间中子探测器连同中子发生器位于工具壳体内的轴线上。室内的射频腔由脉冲发生器电路(例如，在1khz和10%占空比下操作)驱动，脉冲发生器电路用来使氘气电离成带正电荷的氘核，这些氘核朝向负极板栅加速(由电压倍增器供电)并且加速到靶上。靶典型地是掺杂有氚的金属卤化物，以致于用氘核轰击氚原子产生氦离子和14.1mev中子。该脉冲发生技术意味着，产生中子的脉冲，因为，该脉冲发生技术许可近空间探测器和远空间探测器在当发生器未发生脉冲以收集从周围的地层返回但未被直接地来自源的主中子淹没的信号时的时间的期间操作。为了达到这点，脉冲发生器信号典型地用于对探测器的响应进行门控。

在一个实施例中，除了靶[引出器]电极保持于-85kv处之外，阴极电路的dc电平也保持于高电位(诸如，85kv)处。结果是，如果靶掺杂有氘，则跨过rf腔的190kv的电位差足以实现dd反应(2.5mev)。居中空间探测器位于近空间与远空间之间，以致于使对于2.5mev中子物理成分的灵敏度优化。在另一实施例中，脉冲发生器的dc电平升高到高正电位，以致于rf腔与靶电极之间的电位差处于足以使氘核加速到聚变能的电位下。

在另一示例性实施例中，靶掺杂有氚和氘两者，以致于通过简单地启用或禁用非靶倍增器而选择dt或dd-dt输出。

在另一实施例中，中子发生管围绕靶成镜像，以致于单个倍增器被要求(即使两个物理靶为不同并且单独的，也)利用共同的靶电极来操作管的两半。通过使用彼此异相地安置的两个脉冲发生器，使有效脉冲率倍增，由此使来自一对同位的靶的输出中子通量倍增。该效果确保对于联合的管的靶区域是同位的。在功率方面，倍增器的束电流递送有效地倍增，但带有来自每个半管的交织的一半贡献。在联合的共同的靶区域方案中，带有共同的接地的两个脉冲发生器电路在所设置的频率和占空比下操作，但脉冲发生器的每一侧彼此异相[π/2]地操作。

在另一示例性实施例中，脉冲发生器彼此同相地操作，益处是使管的输出倍增，而不增加个别的靶面上的热耗散负载。中子输出通量的倍增许可使可能的测井速度(例如，高达7200英尺/小时)倍增，而不降低所测量的孔隙度响应的统计质量(准确度)。

在另一示例性实施例中，额外的倍增器被包括在联合的管的一侧上，并且，相关联的靶掺杂有氚和氘两者，并且，使用交错式脉冲发生器方案，以便出自靶的中子的每一个脉冲在14.1mev中子与2.5mev中子之间交替。以此方式，居中空间探测器和远空间探测器的响应个别地被门控成脉冲发生器的单独的定时信号，以致于对于近场和远场孔隙度响应的单独的廓线能够在同一次测井运行的期间被确定。

本领域普通技术人员将理解，在此情境下，d+t→n+4he(en=14.1mev)。

普通技术人员还将意识到，在此情境下，d+d→n+3he(en=2.5mev)。

由于所产生的中子的能量确定测量的调查深度，并且因此确定最佳灵敏度的探测器的偏移，因而通过d-d反应而产生的较低能量的中子将产生对近场区域(诸如，紧邻地环绕井眼的水泥)内的孔隙度改变更敏感的测量，然而，通过d-t反应而产生的较高能量的中子对近和外场区(诸如，井的地层和外部水泥黏合式套管环)敏感。dd测量与dt测量之间的偏差用于指示增大的孔隙度(如能够被水泥中的流体通道预期)是否位于近场区或外场区中。

在另一实施例中，多个探测器位置用于进一步增大所接收的数据的维度(在2mev与14mev之间交替)，以致于径向分辨能力能够提高。

在另一实施例中，中子探测器是氦-3填充式探测器。

在另一实施例中，中子探测器是锂-6玻璃探测器。

在另一实施例中，源管沿除了一个以外的所有方向被屏蔽，并且被操纵，以致于源管围绕工具主轴线旋转，以致于方位孔隙度信息可以使用中子慢化或屏蔽材料来通过源和/或探测器的方向偏差而确定。

在另一实施例中，源管和探测器沿除了一个以外的所有方向被屏蔽，并且被操纵，以致于源管和探测器围绕工具主轴线旋转，以致于方位孔隙度信息可以使用中子慢化(moderate)或屏蔽材料来通过源和/或探测器的方向偏差而确定。

在另一实施例中，本技术与超声或x射线密度技术组合。径向地分辨的孔隙度在与x射线、超声以及方位中子技术组合以(按3d)绘制与环绕井眼的水泥中的通道或流体缺陷相关联的孔隙度时能够是高度地有利的。

前文中的说明书仅仅出于说明性的目的而提供，而不旨在描述本发明的所有可能的方面。虽然本发明已在本文中关于若干示范性实施例而详细地示出并且描述，但本领域普通技术人员将意识到，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，也可以作出对描述的略微改变、以及各种其它修改、省略和添加。