量度地层密度及地层光电因素的方法和仪器的制作方法

专利名称：量度地层密度及地层光电因素的方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明与决定土地层密度和土地层岩性学有关。特别是，它与使用一个三探测器组合决定地层密度有关，即使在仪器与地层之间有延展的间隙，仍可量度地层的密度，及量度地层的光电因素。
数十年来人们一直用核子工具来决定钻孔附近的土地层密度。核子密度工具依靠在地层进行康普顿(Compton)散射 伽马(γ)射线，以进行密度量度。传统习用的密度工具，包括γ射线工具，即最少有一γ射线探测器，及在探测器与源头之间有屏蔽，以确保探测的只属散射的γ射线。在进行密度纪录时，从工具源头发出的γ射线，穿过钻孔入土地层。地层或钻孔的电子会散射γ射线其中部份会散射入纪录工具的探测器。根据源头与探测器的距离而定，探测到的射线计数率，可能因地层密度的增加而增加(散射条件占优)，或因地层密度的增加而减少(衰减效果占优)。在中间的间距中，衰减及散射条件均影响反应。
在一个理想的测井纪录中，钻孔应有一个均匀和直的形状。这个均匀的钻孔，可让包括探测器的密度工具，接近钻孔附近的地层，使工具的间隙减至最低。在这些条件下，一个探测器已足够进行密度量度工作了。
但是，因为钻孔通常都没有均匀和直的形状，进行密度纪录的一个关注点，是纪录工具与钻孔壁的接触。密度纪录工具可以设计成加垫工具或心轴工具。在一个心轴工具中，源头和探测器是在一个直的圆柱工具内。这种长型的安排，使工具在不均匀的钻孔壁内保持紧密的接触特别有困难。在加垫工具中，探测器，以及在很多情况下，连同纪录源头，均安装在一块短的、活节的垫上，能随工具结构移动。一个强力的偏心臂将垫推向钻孔壁，因为仪器的长度大为缩短，所以接触的效果会更好。所有密度纪录工具均会碰到地层壁堆起的泥饼，良好的接触会受到影响。因为这种间隙，所以必须补偿密度量度。由于心轴工具有这些缺点，只有在加垫工具因体积或成本限制无法改造时，才会用到心轴工具。
大部分现代的密度工具均使用活节的衬垫包容探测器和γ射线源头。一个支承臂将衬垫推靠地层。短的衬垫以及支承臂产生的强大偏心动力，使在大部分情况下，均能确保衬垫与地层的良好接触。
但是，直径小的工具要使用衬垫的方法会有因难，或者不可能。在这些情况下，可将探测器放在工具内(心轴工具)，由弧弹簧及/或备有支承臂的卡规仪器提供偏心化功能。但是，工具愈长应用在钻井时会造成更大的间隙因而效果愈差。


图1展示含有两个探测器工具的基本布置。工具1包括一个γ射线源头2，一个短距(SS)的探测器3及一个长距(LS)的探测器4。工具所在的钻孔5相当均匀。从源头2发射的γ射线射入钻孔及地层6，然后散射，其中一些最后被探测器测到。短距探测器3对近工具地带7更为敏感。长距探测器4从地层6探测到γ射线8，深度比短距的深，但对工具间隙的效果敏感度较低。通过比较长距和短距探测器的明显密度读数，可以改正长距探测器探得的明显密度之工具间隙。
为改正泥饼造成的间隙或工具间隙，可以使用两个探测器进行不同深度的调查。在这个情况下，第一个探测器(SS)做的是较浅的调查，对钻孔液体或工具与地层之间的泥饼较为敏感。第二个探测器(LS)距源头较远，对钻孔环境敏感度较弱，但对地层敏感度较强。两个探测器的读数差异，可以转化用来改正间隙及泥饼。但是，如果间隙较大，两个探测器的补偿通常是可足够或含糊不确。
用两个探测器进行量度的问题在于这两个探测器要决定三项未知之数地层密度、间隙(工具与钻孔壁之间的距离)，以及工具与地层之间的液体及/或泥饼密度。如果间隙小，后两个未知数可以结合成为有效的厚度(泥密度间隙)。如果间隙大，这个方法就失灵，改正变得含糊不确。此外，短距探测器的调查深度会比间隙变得较小。这样会影响适当的补偿。
图2展示大间隙的情况。两个探测器的工具1位于钻孔处5。因为钻孔壁9的形状不均匀，工具与壁之间被大的距离分隔。短距探测器3的调查深度，比间隙小；而对长距探测器4提供有效的密度补偿较困难，甚至有时不可能。
在传统的长距及短距探测器中间使用额外的探测器，可以帮助解决长距工具间隙改正的含糊问题，并可克服两个探测器工具的一些限制。三个探测器量度提供分别泥土及/或泥饼厚度的效果，及工具与地层之间的泥土及/或泥饼之密度效果。此外，中间量度提供的较佳统计准确性，可以改善工具的纪录速度。图3展示一个有三个探测器工具的作业。有三个的工具11有能力量度地层三个明显的调查深度。工具有源头12、短距(SS)探测器13、中距(MS)探测器14、及长距(LS)探测器15。
使用三个探测器的意含来分别调查的深度，在美国专利4,129,777(Wahl)上有说明。Wahl的方法指出，主要的意念是从工具量度三个不同深度的材料密度。可以用这个方法通过套管决定地层的密度，决定套管后的水泥厚度，及决定工具与地层之间的泥饼密度和厚度。在所有三个情况下，也用量度来决定地层密度和厚度，及工具与地层之间的一层材料之密度。
根据Wahl的方法，工具发出γ射线射入周围的媒体，取得放射量的量度，作为与周围第一、第二及第三层媒体，即从钻孔开始延展至不断增加的放射深度所产生的发射性相互作用结果，回到探测器。位于γ射线源头不同距离的三个探测器，取得量度结果，因而提供三个不同的调查深度。从三个γ放射量度所得，可以得出固体物质的代表性厚度。
特别是，Wahl建议的方法，对决定钻孔套管与附近地层之间的粘合材料厚度有用。在此情况下，就套管的衰减影响，改正三个γ放射量度(浅、中、深)。然后分别从浅、中、深的放射量度，计算三个密度。
另一个结合三个探测器的专利方法是美国专利5,525,797(Moake)。这个专利的方法，象Wahl一样，γ射线源头从第一、第二及第三个探测器作轴向距离。将第一探测器的最后γ射线源头的间距定为第一个间距。第一个探测器的第一个间距及准直的设计，是让第一个探测器探测到的γ射线，主要是由套管发射的γ射线。
第二个或中间的探测器的轴向间距，比第一个探测器距γ射线源头更远。将第二个探测器的距离γ射线源头的间距定为第二个间距。第二个探测器的第二个间距及准直的设计，是让第二个探测器探测到的γ射线，主要是从套管及水泥发射的γ射线。最后，第三个或最远的一个探测器，其轴向间距，比第一个及第二个探测器与γ射线源头的距离更远，定义为第三个间距。第三个探测器的第三个间距及准直的设计，是让第三个探测器探测到的γ射线，主要是从套管、水泥及地层发射的γ射线。是第三个探测器使工具能量度地层的密度，而第一个及第二个探测器主要是让工具改正套管和水泥的量度。但是，如果没有水泥，也可以用第二个探测器量度地层密度。
较好的是，用高密度材料在源头与探测器之间，屏蔽探测器，防止探测到只是穿过工具的γ射线。屏蔽以准直信道方式，从探测器延伸通过工具至工具外面表面为止，提供一个路径或空隙。准直信道特别设计，适应每个探测器的探测方案。具体地说，最近的或第一个探测器会有一个准直，相对套管采取细角度目标，使第一个探测器探测到主要是套管发射的γ射线。第二个或中间探测器的准直，角度较斜，或相对套管采取较垂直的角度，因为第二个探测器的自的，是探测发射于所有水泥以及套管(较深的调查深度)的γ射线。最后，第三个探测器会有一个宽的准直信道，相对套管而言，作相当的垂直，因为第三个探测器与源头距离的关系。因为最远一个探测器探测的γ射线，必须先通过水泥和套管和地层，然后再退回通过套管和水泥，其统计上的或然率比第一个及第二个探测器为小，所以第三个探测器需要一个较宽的准直信道。
Wahl提出的三个探测器密度方法，说明了在厚度相当及/或工具与地层之间密度材料使用三个探测器进行量度密度的意念。通过将探测器作不同轴向间距安排，可以找出不同调查深度的分别。
Moake提出的方法，在相当程度上使用Wahl同样探测器间距的方法，进行贯穿套管量度时，可发挥探测器准直的最高效能。短距SS(第一个)及长距LS(第二个)探测器使用与传统两个探测器密度工具相似的准直。中距MS(中间一个)探测器准直十分紧，角度几乎与钻孔壁垂直，在贯穿套管量度时，会取得更深入的密度读数。中距探测器的斜准直角度，减少了其计数率和统计准确性。在一个开孔量度中，中距及长距探测器的调查深度，将会变得十分相似，而对泥饼的敏感性，比钢套管密度小得多，亦会减少。
我们还需要一个方案，用以决定改正纪录工具的间隙，以克服这些限制。现时的发明提供一个多重的探测器量度法，当密度工具碰到地层有相当间隙时，能充分发挥作用。虽然用于开孔纪录的方法，亦可用于套孔纪录。为了达到这个目的，工具使用一个充分发挥效能的准直，用于短距、中距和长距的探测器。特别是，中距探测器的准直与短距及长距探测器的准直需不同。这样可以改正中距探测器的调查深度，即是，在短距探测器与长距探测器之间的调查深度。此外，这种准直，密度量度准确性高，应用于量度光电效果，亦发挥充分功能。
除量度密度外，大部分现代的核子密度工具，均可量度地层的光电因素(PEF)。这个量度方法，依赖通过地层的光电效应，吸收低能量的γ射线。因为光电效应强力依靠地层元素的原子序数，它提供一个地层岩性学的指示。因为光电吸收偏向清除低能量γ射线，工具的套壳需要让低能量γ射线通过套壳内的探测器。这个目标，可以通过使用套壳内有低原子序数(Z)的材料的窗口，或通过使用低-Z套壳的材料例如钛达成。典型的窗口材料是铍和钛。套壳材料可以是钛，或者如果符合低压需要，可以是石墨或强力的碳化合物。
本发明的目的，是提供最高效能的方法，在出现大的工具间隙时，进行高质素的密度量度。
本发明的另一个目的，是提供一个细长(心轴)的纪录工具，其量度质素最低限度与传统其中一种之两个探测器衬垫工具一样好。
本发明的另一个目标，是提供一个经改善的方法，探测地层的光电效应。
工具的另一个目标，是提供两个至三个探测器光电量度，以补偿间隙。
现时这个发明，是一个经改善的方法和工具，利用γ射线探测器组合来决定地层密度。这个工具改善了间隙改正、准确性更好、并且大大地加强了光电效应的量度功能。此外，这个工具比传统的纪录工具有较细长的直径。这个发现可以在碰到不正常形状的钻孔时，特别是心轴工具经常碰到不断增加的间隙时，可以改正大的间隙。操作的时候，三个或更多的准直探测器，探测自工具源头发射出来的γ射线。根据工具设计，探测器进入地层不同的调查深度。在小的间隙中，短距的探测器主要调查泥、泥饼和较浅的地层。当间隙增加时，短距的探测器讯号对接近地层的地层或泥或泥饼就不再敏感。中距的探测器有更深的调查深度，即使工具的间隙增加时，对钻孔和地层仍然敏感。长距探测器主要是对地层密度敏感。利用中距和长距探测器所得的数据，可以改正这个长距的读数，以提供更准确的密度读数。
本发明也是一个决定地层的光电效应因素(PEF)经改善的方法。在一个钛制的套壳内使用三个探测器的组合，以提供高质素的PEF答案，比传统的两个探测器更准确更精密，但因为工具直径的减少，无法使用抵Z-窗口进行低能量γ射线作业。
图1是使用两个探测器探测γ射线的纪录工具；图2是一个位于大间隙的两个探测器纪录工具，间隙是钻孔不均匀造成；图3是探测视图，由三个探测器探测钻孔及地层发散的γ射线；图4是本发明实施密度工具的示意简图；图5是使用本发明在一个不规则钻孔探测讯号的示意图；图6是实施本发明纪录工具的探测器准直；图7是实施在本发明上的纪录工具探测器部分；图8a是短距探测器准直的横切面视图；图8b是一个可能性的中间探测器准直横切面视图；图8c是另一选择中间探测器准直示意图；图8d是一个可能性的远距探测器准直横切面视图；图8e是另一选择远距探测器准直示意图。
基本工具布置见图4。工具包括两个部分一个连同探测器13，14及15的探管部分20，及γ射线源头12，与有用于工具操作的核子扩音器、模拟一数字转换器及辅助电路的电子部分21。虽然绘图展示一个心轴工具，探管设计可以实施于衬垫工具上。
图5示出了本发明实施于造成钻孔壁大间隙的钻孔。因为钻孔壁9的形状，在工具11与钻孔壁9之间发生一个很大的间隙23。要克服这个大间隙，有一些探测器的调查深度必须深过工具间隙。探测器14与15的调查深度分别是25与26，延展入地层6，提供量度地层的功能。
图6示出了本发明在一个不规则的钻孔情况，探测器已予以对准。准直γ射线及充分发挥探测器的作用，以确保所有的探测器有不同的调查深度，并加强间隙的补偿。此外，准直确保工具主要对发射于地层，或工具与地层之间的γ射线敏感，只接受某个方向的γ射线入射。γ射线源头亦予以对准，造成γ射线发射，偏向射入地层，以减少γ射线在钻孔移动的数目。正如图示，短距探测器13的准直角30探测着钻孔及浅地层深度的γ射线。中间探测器14的准直角度31摄取穿过地层和钻孔的γ射线。长距探测器15的准直角度32摄取通过相当深地层以及一些从钻孔穿过的γ射线。
图7示出了探管部分的示意横切面。这个部分包括γ射线源头12及三个γ射线探测器，13，14及15，探测发射的γ射线。γ射线可以是传统的化学源(137Cs，60Co，或另外适合的放射性核素)，或电子源(X线管、电子感应加速器，或其他产生X光的仪器)。γ射线探测器可以是闪烁探测器(Nal，GSO或其他闪烁材料)，配合光电倍增管或其他放大仪器。在某些应用情况下，可能使用半导体的探测器或其他探测的方法较好。在本发明中，偏向的γ射线源头是137Cs，而探测γ射线，最好是用Nal或GSO闪烁探测器。这可充分发挥γ射线源和探测器的作用，确保所有探测器均有不同的调查深度，以增加间隙的补偿。
在本发明中，探测器的实际间距，特别是源头准直开口的间距，将影响每个探测器探测的调查深度。短距的探测器13与源头12的距离，在为四时(10.16公分)与七吋(17.78公分)之间。中间的探测器14与源头的12的距离，约在七吋(17.78公分)与十二吋(30.48公分)之间。长距的探测器15与源头12的距离，约在十二吋(30.48公分)与十八时(45.72)之间。间距是指源头中心与探测器中心之间的垂直距离。建议短距探测器的准直角度30a是在30至60度之间，中间距探测器的前准直角度31a应在35至90度之间，而长距探测器的前准直角度32a，如图7所示，应在45至90度之间。参看图8a所示，短距探测器的准直开口40通常是一个圆柱形或椭圆形的孔，对角与角度在±5度±20度之间。如图8b所示，中间距的方位角开孔41范围在±10度±35度之间。图8c展示中间距探测器的另一种开口42。图8d所示的长距准直开口43，角度在±20度±50之间。图8e展示一个间距大的探测器15另一种开口44。准直方位角度应为矩距＜中距＜长距。
要达到提供一个探测土地层光电效应改良方法的目标，同时受到探测器准直的影响。图7展示出如何达到这个目标。γ射线源头12受到屏蔽，并由准直器33予以对准，以取得趋向地层的γ射线放射。一个低密度材料的窗口34，位于源头的前面，务求得到主要放射入地层的γ射线最大数目。源头的对准，使γ射线放射的角度，能改善γ射线通过在源头准直器35射向探测器的能力。屏蔽源头的方法，是减少γ射线从源头放射入钻孔的数目。这可通过在源头用一个圆柱形的屏蔽，及在源头后用一个厚的屏蔽36达到此目的。
在图7中，短距探测器的设计，是尽量减少方位角的探测器开口，例如图8中40所示，及将准直角度30a向着源头，以求对工具间隙敏感。中距探测器14予以对准，以改善对地层的敏感，同时保持对工具与地层之间隙地区的敏感。充分发挥中距探测器准直的作用，同时可改善探测器对光电效应的回应。对准长距探测器15，会导致更深的调查深度。此外，将长距探测器准直作方位角开口，会增加计数率，并且保持钻孔讯号的细小。
探测器可以用Nal闪烁器，但最好用GSO或其他密的、快速的闪烁材料。短距的探测器最好是用GSO的探测器。使用GSO可以在细小的工具中取得最好的屏蔽和准直，而其高计算率能力，最适合短间距探测器碰到的高计算率作业。使用十分轻便的探测器，可减少探测器的长度，提供紧密的间距。探测器的设置，用高导磁材料屏蔽磁场。探测器的窗口设置，可将通过探测器前面准直进入的γ射线衰减，减至最低度。屏蔽和准直材料，通常是高原子序数的密材料(例如钨、铅或铀)。移入探测器的γ射线，可使此屏蔽材料放射出X光，并为探测器探测到。这些X光使光电效应的应答变质。它们被一层0.5至2毫的中间Z(Z＝30至60)材料屏蔽探测器的后边，予以压制；这个材料吸收了不想有的X光，但没有放射出能量范围内的X光，以便作量度用途。可以在探测器之间插入屏蔽，防止移动的γ射线通过1准直开口，在第一个探测器发射后，进入第二个探测器。
密度算法与PEF可以是脊肋骨型，如Case与Ellis专利所述。其他算法可以是前向模式及逆转，或可使用重量的多线回归方法。中距及长距探测器的准直，使工具在有泥的情况下，适用于补偿性的光电效应量度(正评估中)，泥土包括高的原子序数，因而展示出大的光电效应。
本发明的仪器和方法，比现时的方法提供更多好处。我们陈述发明时，指出最好作怎样的具体设置。但是，那不是限制性的。基本设计可以作出改变、调差和修改，而不会影响本发明的发明概念。此外，这些改变、调差和修改，对那些对此有认识并熟习这方面的技术者，应该是显然而然的。所有这些改变、调差和修改，都是属于只受所附权利要求书所限定的本发明范畴以内。
权利要求
1.一种测定钻孔周围地层的性质仪器，其特征在于，包括a)可辐照该有γ射线发射地层的源头；b)短、中和长距的探测器，位于该仪器内，与该γ射线发射源头的距离，按序顺序加大。该等探测器有能力产生讯号，指示出每个探测器探测到的γ射线发射能量；c)包括所述γ射线源头和探测器的装置；该装置有能力在不协调的钻孔环境中操作，并保持机械特性；d)据探测器讯号计算地层密度的装置；及e)根据该探测器讯号计算该土地层光电因素的装置。
2.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，第一、第二及第三个探测器，均需独特的予以对准，使每个探测器能从不同的深度范围，探测γ射线。
3.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述短、中及长间距探测器，在地层内须有不同的调查深度；该等深度根据探测器与γ射线源头的距离大小有所增加。
4.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，还包括设置在源头与探测器之间的屏蔽，用以防止γ射线直接从源头射入探测器，以屏蔽探测器周围的部分，屏蔽发射在钻孔中的γ射线。
5.如权利要求2所述的仪器，其特征在于，其特征在于，所述γ射线发射源头应予对直，使该源头放射的γ射线发射进入该地层时，其角度调向，最好是能加强发射趋往工具探测器的方向。
6.一种测定钻孔周围地层性质的方法；其特征在于，包括以下步骤a)对准发射源头和短、中及长距探测器，使该源头的发射进入该地层时，其角度调向，最好是能加强发散趋往位于该钻孔的发射探测器方向，这些探测器的位置，使其与发射源头的距离顺次增加；b)从该发射源头，辐照该有γ射线的地层；c)从该每个探测器探测到的γ射线，产生γ射线光谱；d)从每个探测器光谱计算明显的密度；及e)从每个探测器光谱量度光电效应。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括计算包括探测器与源头的仪器与钻孔壁之间的间隙距离的步骤，以形成所有三个探测器的光谱。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括补偿该光电效应的步骤，以说明该仪器的间隙。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，地层密度、间隙、及地层光电效应，应由一密度、间隙、及光电效应的前向模式，及前向模式随后的逆转予以计算。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(e)之前，有一个充分发挥中间探测器准直的步骤，以改善中间探测器对地层光电效应的应答。
全文摘要
本发明是使用伽马探测器组合决定地层密度和光电因素的改善方法及工具。在本发明中,准直的探测器在地层内有不同的调查深度。在小的间隙中,一个短距(SS)的探测器,主要是调查泥与泥饼,及地层的浅层。与SS不同,中间间距(MS)的探测器,有更深的调查深度,即使间隙加深,对钻孔和地层仍然敏感。一个长间距(LS)的探测器,主要是地层密度敏感;其密度读数,可用MS与SS探测器的间隙资料,予以改正。
文档编号G01V5/12GK1192535SQ98104498
公开日1998年9月9日 申请日期1998年2月19日 优先权日1997年2月19日
发明者C·斯托勒, D·C·麦基翁, N·I·威杰西埃凯拉, P·D·赖特, U·达斯古普塔 申请人:施卢默格海外有限公司