根據中子孔隙度測量結果導出鑽孔直徑的製作方法
2023-12-09 23:00:56 1
專利名稱：根據中子孔隙度測量結果導出鑽孔直徑的製作方法
技術領域：
本發明針對鑽入地層的鑽孔徑向尺寸或「直徑「的測定，具體針對由中子輻照地層並測量鑽孔中的中子通量來測定孔徑。本發明可以具體用於在鑽孔的同時來測量孔徑，或是在鑽孔完成後作為一個鋼繩測井系統來測量孔徑。
對於鑽探井孔，在測量由鑽孔鑽得的地層參數中，以及對於在鑽孔後完成井時，精確的鑽孔孔徑數據都是重要的。
在烴生產的典型的鑽孔中，鑽柱是由通過螺紋接箍增設到其上的鑽杆段或「管節」形成，並以鑽頭終結。鑽柱由相應工藝中的周知裝置轉動，同時通過鑽頭的切削作用推進鑽孔。鑽頭用於鑽孔操作會變鈍而需定期更換。更換鑽頭時需要順序地卸下鑽杆的管節而將鑽柱從鑽孔中拉出或「抽出」。從鑽孔作逐步提升時獲得的鑽孔孔徑數據可以用來監控井身的狀態，如鑽孔衝蝕的初期跡象和緊急的井身不穩定性。孔徑的信息能讓司鑽在鑽孔作業中採取補救措施，以防鑽孔和鑽孔設備受損或災難性的損失，甚至使鑽孔人員喪生。
作為深度函數的地層參數的測量結果，通常稱作為地層「鑽進記錄」，可在以後通過鋼繩輸送儀表而於鑽孔中取得，或可以通過鑽柱輸送儀表而在鑽孔的同時取得。這些技術一般分別稱為「鋼繩測量」和「隨鑽測井(LWD)」。鋼繩和LWD測量應用鑽孔的孔徑數據對於與井孔徑向尺寸有關的各種效應，校正所測的參數。例如，絕大多數先有技術中子孔隙度、散射r射線密度以及電阻率型等的測井系統，它們在響應乃是鑽孔尺寸的函數，因而必須相對於鑽孔尺寸效應進行校正，以獲得所需地層參數的最佳測量結果。
一旦鑽孔已鑽到所需深度，通常便以一列鋼管「完工」，圍繞鋼管用泵排灌水泥，由此而填滿管-鑽孔的環隙。在確定完工的要求例如確定為合適地給套管注水泥而要求的水泥量時，孔徑的信息是非常有用的。
已設計出許多的鋼繩和LWD測井系統來使鑽孔尺寸的影響最小化。基本的方法是在系統的孔下「工具」部分中應用兩或多個沿軸向分開的傳感器。各傳感器以不同的程度響應鑽孔尺寸，並將這種響應組合以使鑽孔的影響減至最小。例如1960年代曾引入雙探測器中子孔隙度鋼繩系統，目的在於最大限度減少測量地層孔隙度時鑽孔尺寸的影響。這種系統描述於1963，12，3授予S.Locke的美國專利NO.3483376中。用兩個熱中子探測器沿軸向與快中子源分開不同的距離。這兩個探測器的響應比隨地層孔隙度變化，但與根據這兩個獨立的探測器任一個獲得的計數率相比較，則對鑽孔的參數的敏感程度稍差。這一響應比於是便成為用來計算孔隙度的測量參數。為了改進精度，對根據這種比值算出的孔隙度進行了校正。與單探測器系統相比，雙探測器系統儘管要小得多，但能有效地校正鑽孔直徑，而要是能利用到有效的鑽孔測徑儀時，還能使校正值量化。為了組合傳感器的響應，採用過較高級的算法。再以採用雙探測器中子孔隙度系統為例，1983，12，27授予Darwin V.Ellis與Chorles Flaum的美國專利NO.4423323對於各中子探測器的計數率應用了一般稱作為「脊和肋」和解釋，以便不用獨立的鑽孔孔徑信號而求得鑽孔尺寸不變量的孔隙度測量結果。這種算法較為複雜，而能夠據此求得可靠補償的鑽孔直徑變化範圍也相對受到限制。
各種鋼繩鑽孔測徑器件曾用來並在今天仍然用來與對鑽孔尺寸敏感的鋼繩測井技術相結合，以提供對鑽孔直徑的測量，據此來計算鑽孔尺寸的校正值。由例如1960年代以商品形式引入而且是相關技術中周知的墊安裝的散射r射線密度工具的墊型工具的鉸接臂，製得了一種測徑儀。這種測徑儀只測量一種徑向尺寸，這在非圓形鑽孔中通常是主徑向軸線。另一種先有技術的鋼繩測徑儀則利用多臂裝置的測量結果。這類裝置可以是「獨立的」測徑儀工具。或者，可以從其他類型的測井工具如多臂信息浸漬工具來根據臂的位置求得鑽孔孔徑信息。多臂裝置與單臂裝置相比產生了更具代表性的鑽孔尺寸測量結果，但其機械結構極其複雜，難以在苛刻的鑽孔條件下有效的操作，難以保持校準結果且製造價格昂貴。
先有技術的LWD系統，與其鋼繩的對應部分相同，對鑽孔尺寸是敏感的。需要有精確的孔徑信息來恰當地校正從這些系統中求得的參數測量結果。易知臂型的鋼繩測徑儀不適用於LWD，這是因為鑽柱通常是轉動的，而與鑽入的地層結合的臂將因這種轉動迅即斷裂，因此必須用其他的基本方法進行LWD測徑。
為了在LWD系統中求得孔徑尺寸已應用過種種方法。根據鑽頭直徑、鑽井液的泵抽壓力以及所鑽入的地層的力學性質，可以求得估值。但這種方法至多只能對鑽頭鄰近的孔徑提供大致的估值，這是由於地層和鑽探的力學狀態可以迅速改變。不採用專用的LWD測徑系統，還採用過其他的方法以求可靠地測定孔徑。一般地說，這些方法組合了來自多種對鑽孔幾何參數顯示出不同敏感度的LWD裝置的數據。另外的這類LWD裝置可以包括周知的散射r射線密度裝置和響應鑽孔不等的徑向深度與地層鄰區情形的電阻率裝置。綜合這些裝置的響應提取出鑽孔信息，同時根據這些響應求出鑽孔的校正值。另一方面，這種測量鑽孔孔徑和對於鑽孔效應校正測量結果的方法一般而論是不可靠的。此外，為了實施這種方法，還必須採用一套較複雜的LWD裝置。
1992，12，29授予Hugh E.Hall.Jr等的美國專利NO.5175429，提出了作為核子LWD測量結果的工具支架補償法的鑽孔測徑法，其中為獲得所需的工具支架補償或鑽孔尺寸補償，不需要獨立的鑽孔測徑儀或任何其他的子系統。對從一批核子探測器獲得的計數率加以存儲，並存儲於作為表現儀器支架的函數的「儲器」中。控測器的響應作為能級的函數考察，為此要求鑽孔儀表具有能譜記錄本領。所要求的這些特點大大地增加了鑽孔儀器的複雜性，增加了對LWD遙測系統的需求，同時需有較複雜的解釋算法。
專用於鑽孔測徑的絕大多數先有技術的LWD系統通常採用聲學方法。具體地說是用聲學方法來改進在中子孔隙度鄰區和可能要求校正鑽孔尺寸的其他LWD系統中對鑽孔孔壁位置的測量。這種專用的鑽孔聲學測徑器通常由位於LWD儀表周邊上的一或多個變頻器沿徑向發出高頻聲脈衝。橫向進入鑽井液中的這些聲學信號於鑽孔壁上被反射，再次沿橫向加入鑽井液中作為此能量的一部分而返回LWD儀表。測量出聲脈衝發射和探測到此反射回脈衝之際其間的時間。要是鑽井液的聲學性質已知，就可根據測量出的聲波傳播時間計算出至鑽孔壁的距離。與前面討論過的方法相比，這是一種用來「測量」鑽孔「孔徑」的較精密的方法，但是它是有缺點的。聲學測徑方法需要較複雜的且必須在苛刻的鑽井環境下操作的另設的LWD系統。這樣就降低了LWD組件的可靠性、增加了操作費用及其製造費用。此外，在那種「噪聲」的鑽井環境中是難以取得任何類型的可靠的聲學測量結果的。再有，一旦取得了鑽孔的徑向輪廓後，就必須借數學方法進行這種測量，以便對特定的LWD系統進行鑽孔校正，使徑向輪廓與此系統的方位響應係數匹配。
1998，6，16授予Michael L.Evans的美國專利NO.5767510公開了一種鑽孔不變量孔隙度系統，現引用於本說明書中供參考。這一系統可以具體體現於LWD系統或鋼繩系統中，目的在於只利用距快中子源「近」與「遠」分開的探測器的響應來提供鑽孔尺寸不變量的中子孔隙度測量，這裡不需要獨立的鑽孔孔徑測量。如上所述，通過根據探測器響應的簡單比來計算孔隙度，至少是在第一個數量級的水平上，克服了鑽孔尺寸、鑽孔形狀以及儀表在鑽孔中徑向位置的幹擾影響。但是這種比例方法並未提供完全的鑽孔尺寸補償。通過修正近探測器計數率對遠探測器計數率的比，可以對鑽孔影響求得進一步的補償。已求得了遠探測器計數率的函數，由此可以求得近探測器響應和修正的遠探測器響應，後者在工具的正常工作範圍內顯示出接近一致的表現徑向靈敏度。獲得的結果是，近探測器計數率對修正的遠探測器計數率之比隨地層而變化，但它對於徑向擾動如鑽孔直徑的變化基本上不敏感。儘管Evans的系統所產生的孔隙度測量結果不需測徑儀來對於鑽孔尺寸校正孔隙度的測量結果，但此系統並未分開用來根據工具的響應產生井徑測量的方法。
根據上面對背景材料的討論，本發明的一個目的在於提供這樣一種鑽孔測徑系統，它不需鉸接的機械臂，並可具體用於LWD系統和鋼繩系統。本發明的另一個目的在於提供這樣一種井徑測量結果，它可以根據LWD系統或鋼繩測井系統中設置的一或多個傳感器的響應來求得，並可用來對由鑽孔而鑽入的地層的性質進行其他測量。本發明的再一個目的在於利用雙探測器中子孔隙度系統內的中子探測器的響應，同時地產生地層孔隙度的測量，校正鑽孔尺寸，隨後應用校正的地層孔隙度來求得鑽孔井徑記錄圖。
本發明的另一優點在於根據中子孔隙度系統的一探測器的響應，再結合測量地層中子孔隙度的另一種LWD或鋼繩系統獨立測得的地層孔隙度，來提供鑽孔的井徑記錄圖。本發明再一個優點在於根據對氫指數的響應，結合地層孔隙度的獨立測量結果，來提供鑽孔的孔徑記錄圖。本發明還有著其他的目的和用途，這可以得知於下面所公開的內容。
本發明涉及通過將單一的井下傳感器的響應與實際地層孔隙度的知識相結合，來提供鑽入地層的鑽孔的井徑記錄圖。
在討論本發明的背景技術時，在幾個解釋性的例子中都用到了雙探測器中子孔隙度測井系統。此系統的井下「工具」部分能夠由鋼繩或鑽柱傳送，通常包括快中子源和一或多個中子探測器。中子源發出的中子與地層的核和鑽孔的流體相互作用，使這些中子的一部分回到鑽孔中並碰撞這一或多個探測器。
中子探測器的響應是地層和鑽孔流體速度降低的程度或中了源發射減慢的快中子的程度的函數。這種減速本身是同與中子反應的核的原子量成反比。於是，中子孔隙度的測度主要受鑽孔內流體和井下中子孔隙度測量工具周圍地層的氫濃度或「氫指數」的支配。地層和鑽孔在探測器響應時的相對影響主要取決定於探測器離中子源的軸向間距，但對於選定的工具設計下則是固定的。氫指數常記作「HI」。對鑽孔和地層區的探測器相對響應或響應「分配」是由一系列試驗確定的，在這列試驗中，鑽孔的直徑改變而鑽孔的所有其他條件和地層的條件不變。要是獨立地測定了地層區的氫指數，則探測器響應可以與響應分配結合以確定探測器的來自鑽孔區的響應，此響應是鑽孔流體的氫指數和鑽孔直徑的函數。鑽孔流體通常是已知組份的鑽探泥漿或已知鹽度的水，因此鑽孔流體的氫指數通常是已知的或易於測定的。得知的鑽孔流體的氫指數然後與起因於鑽孔區的探測器響應結合，產生鑽孔直徑或井徑儀的測量結果。
所用的設備通常包括單一的井下傳感器，它對氫指數作出響應，而對於它，地層鑽孔分配函數是已知的。所需要的對「真實」地層孔隙度的獨立測定，可以從據此能獲得地層中子孔隙度的任何類型的測井系統求得。
上面談及的中子孔隙度系統公開了授予Evans的美國專利NO.5767510中，它特別適用於本發明。此系統包括快中子源以及與此中子源沿軸向分開的近和遠的中子探測器。通過改進近探測器響應對遠探測器響應的比，顯著地改進了鑽孔效應的補償。此結果是近探測器計數率對改進過的遠探測器的隨地層而變化的計數率之比，但此比值對鑽孔直徑的變化基本上不敏感。地層的孔隙度根據此改進了的比值計算而不需測徑儀的信息。地層鑽孔分配函數於是便為探測器之一所確定，且最好是對於近探測器來確定，因為近探測器更能響應鑽孔流體。然後將近探測器計數率與分配函數、從上述改進的比求得的實際地層孔隙率、以及用於求出鑽孔直徑量度的鑽孔流體氫指數的先有知識相結合。
本發明能具體用於鋼繩測井系統或LWD系系統。中子源最好是同位素型或「化學」型的發射連續中子流的中子源。另一些中子源包括以穩態方式工作的加速器型中子源，或是以脈衝方式工作的其中中子源探測器按較大的脈衝周期數平均時間響應的加速器型中子源。
本發明是針對測量鑽透地層的鑽孔直徑的。但應知本發明也可用於測量穿透任何類型材料任何類型鑽孔的直徑，只要是(a)此鑽孔含有均勻的流體，以及(b)此材料的中子孔隙度是已知的。要是這種材料只在孔隙中含有氫，則任何類型的材料孔隙率測量產生的部分或百分孔隙率都可用於這種鑽孔直徑測定。材料例如在粘土中所見到的任何化學鍵合的氫，就必須對此材料應用中子孔隙度材料以便獲得精確的鑽孔直徑測量結果。
為了能詳細地了解本發明的上述特點、優點與目的所實現的方法，通過參考以附圖闡明的實施例，當可掌握已簡括於上的本發明的更具體的說明。
但應認識到，這些附圖只示明了本發明的典型實施例，因而不應視之為本發明範圍的限制，因為本發明是可以允許有其他等效的實施形式的。
圖1概示構型如雙探測器中子孔隙度系統且具體體現於LWD鑽孔工具的鑽孔測徑系統中。
圖2是流程圖，示明了結合探測器計數率、實際地層孔隙率和環境校正以獲得鑽孔測徑結果的步驟。
圖3a是在對環境因素校正後根據雙探測工具響應計算出的實際地層中子孔隙度的測井圖表。
圖3b是通過結合環境校正過的雙探測器中子孔隙度系統的「實際」地層孔隙度與近探測的計數率以及環境因素的校正所求得的相應的井徑記錄圖。
圖4概示構型如雙探測器中子孔隙度系統且具體體現於為鋼繩鑽孔探測器的鑽孔測徑系統中。
圖5是應用單一探測器的鑽孔測徑工具，這裡的工具能夠具體體現於LWD或鋼繩測井系統中。
下面分五個部分公開本發明的最佳實施例。第一部分提供用來公開本發明基本概念的數學體系，第二部分說明實施本發明所需的設備，而第三部分匯總數據處理方法。第四部分闡述由本發明獲得的結果，而第五部分則論述本發明的另一些實施例。
1.數學體系如上所述，鑽孔直徑的計算需要掌握實際地層的中子孔隙度。儘管可以根據許多的來源獲得地層的中子孔隙度，但前面談及的雙探測器，Evans的鑽孔不變系統能理想地用來與本發明結合。下面簡述Evans的公開內容，孔隙度是根據下述關係計算(1)φ＝f(R)其中(2)R＝Ns(φ)/Fs(φ)且其中φ＝孔隙度而孔隙度單位為(p.u.)f(R)＝比例對孔隙度的變換函數，Ns(φ)＝孔隙度φ的「標準」地層的近探測器計數率，在標準鑽孔條件下；以及Fs(φ)＝孔隙度φ的「標準」地層的遠探測器計數率，在標準的鑽孔條件下。
正如Evans的專利中所公開的，量R實際上是「標準」鑽孔和地層條件下的近對遠探測器計數率之比。式(1)中所定義的探測器比R與孔隙度φ的關係，或是由數學模擬所述工具在標準地層和鑽孔條件下的響應，或是通過測量在標準地層和鑽孔條件下的響應，或是通過結合數學模型與測量結果而確定的。
孔隙度裝置在其中運轉的所有鑽孔肯定是非「標準的」。非標準的鑽孔條件或是非標準的鑽孔條件與非標準地層條件的結合，會改變此遠與近的計數率。現在只考慮非標準鑽孔條件。它們可以表示為
(3)N(φ)＝Ns(φ)a(d，ms，mw)與(4)F(φ)＝Fs(φ)b(d，ms，mw)式中N(φ)＝非標準鑽孔的近探測器計數率F(φ)＝非標準鑽孔的遠探測器計數率a(d，ms，mw)＝與標準和非標準鑽孔中近探測器計數率有關的函數；b(d，ms，mw)＝與標準和非標準鑽孔中遠探測器計數率有關的函數；d＝鑽孔直徑(英寸)；ms＝鑽井液的鹽(Nacl)百萬分數濃度(ppm，Nacl)；mw＝鑽井液每加侖的磅重(1b/ga1)。
將式(3)與(4)代入式(2)，得到(5)R＝N(φ)/(F(φ)x(d，ms，mw))式中(6)X(d，ms，mw)＝a(d，ms，mw)/b(d，ms，mw)。
應知以上參數可以表示為其他單位，如鑽孔直徑d可以表示為mm或cm。實際上，式(5)中所表示的近探測器對遠探測器計數率之比乃是先前討論到的改進的計數率比。具體地說，將分母(遠計數率)提高X(d，ms，mw)倍，就能有效地將非標準條件下所測的近/遠比「規範」成將會於標準鑽孔條件下所能獲得的相應的比。這一修正的或規範化的比，當用於式(4)的函數中時將產生已對非標準鑽孔條件校正的孔隙率值中。業已發現，式(5)中的修正比對於直徑約8～約12英寸的鑽孔直徑是一個不變量。用這一比值和式(1)定義的函數計算出的孔隙度值因此將自動地對鑽孔直徑校正。
根據式(5)的改進的近/遠比算出的孔隙度值是鑽孔的不變的孔隙度(BIP)值，或更精確地說是前述的鑽孔直徑不變的孔隙度值。應該注意到X，從而是R以及φ的對應值仍然是鑽井液鹽度(ms)和鑽井液重量(mw)的函數。這些量在已知鑽井時加添到鑽井液中的物料時可以以充分的精度估算，而不會在孔隙度的計算中造成顯著的誤差。另外，在先有技術中公開了種種MWD和LWD系統，能在井下機組中測量其鄰近處的鑽井液鹽度和鑽井液重量。
對於非標準的巖石結構如砂巖或白雲巖的影響來校正孔隙度值φ的方法是本項技術中周知的。對於「非標準的」地層流體加鹽水的影響來校正孔隙度值φ的方法在本項技術中也是周知的。通過對於非標準條件校正φ可求得地層孔隙度φ實際，並由以下通式表示(7)φ實際＝Kφ式中K代表所有非標準的「環境」校正值。
要是對於已知的鑽孔和地層條件已開發出對孔隙度的計數率的變換，則可以根據近或遠探測器的計數率來確定孔隙度。幾乎所有的鑽井液中都含有高濃度的氫。鑽孔流體的典型例子是帶有新鮮水、鹽水或油基的鑽井液。在測井徑工具鄰域中鑽孔液體數量是鑽孔直徑的函數。於是，測量鑽孔流體的量可以與鑽孔井徑儀相關。由於本發明給出了根據鑽孔流體氫指數的測量的井徑記錄圖，就可由近探測器的響應方便地計算孔隙度φ近，這是因為近探測器更接近中子源而更敏感鑽孔物料。φ實際與φ近之間的差可以表示為(8)φ近-φ實際＝a1(d1-a2)(1+a3(φ實際-a4)2)式中a1、a2、a3與a4是通過對於所述工具使式(8)擬合響應數據基而確定的係數，而d仍舊是於其中測量響應數據的鑽孔的有效直徑。
近間距探測器的孔隙度響應φ近能夠通過在已知的鑽孔和地層條件中擬合所測得的近間距的探測器計數率CR近而參數化，得出(9)CR近＝b1(φ近+b2)b3+b4於式(9)中求解φ，得出(10)φ近＝((CR近-b4)/b1)(1/b3)-b2CR近是測量值，φ實際是由測量的值用式(7)或通過其他中子孔隙度測量裝置求得的；而常數a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3與b4則是通過在已知地層和鑽孔條件下使工具響應參數化，通過在已知地層和鑽孔條件下使工具響應數學模型化，或是結合採用這兩種方法而確定的。然後可以結合式(8)與(10)而求解鑽孔直徑d，由此得出的鑽孔井徑儀的測量結果可以測井圖表形式作為在進行測定的鑽孔內的深度予以顯示。
2.設備圖1示明一種鑽孔井徑儀系統，它構型如具體用於LWD作業的雙探測器中子孔隙度裝置。快中子源32、近探測器34和遠探測器36位於將稱作為LWD工具的鑽鏈22內。LWD工具22藉助鑽柱20懸掛於鑽孔26內，鑽孔26由鑽孔壁26』限定且鑽入地層15中。鑽柱20的上端懸掛於地面50上，最好是用傳統的旋鑽牽引結構(未圖示。LWD工具22通過用牽引工具升降鑽柱20而沿鑽孔26輸送。鑽頭24固定於LWD工具22的下端。鑽柱20通過轉臺60轉動而轉動LWD工具22和鑽頭24，由於鑽頭24的切削作用而使鑽孔26向下延伸。
最好採用常規的鑽井液系統來除去轉動鑽頭24時形成的鑽屑，同時潤滑和冷卻此鑽柱與鑽頭，以及在鑽孔26中保持液壓。鑽井液通常是含有較高濃度氫的液體，從地面50通過鑽柱20向下泵送，經鑽頭24中的孔排出，然後通過工具22的已知外徑和鑽孔26的壁26』所限定的鑽孔-工具環隙而返回到地面。中子井徑儀系統響應此環隙中的鑽井液，產生上面用數學式子描述的鑽孔直徑的測度。
現在注意圖1所示LWD工具22內的器件。近探測器34與中子源32沿軸向分開一距離42，而遠探測器36沿軸向與中子源分開一距離40，近探測器34由於與中子源較近，比遠探測器36更敏感於鑽孔中的液體。於是在井徑測量中最好採用近探測器計數率CR近，儘管遠探測器的計數率也可用作另一種測量手段。中子源32、近探測器34與遠探測器36是壓力密封的，最好是在工具22的壁內密封，這樣就能使上述器件與鑽孔的周圍環境孤立開，同時能在工具22內給出一條使鑽井液流過的較理想的其軸線通道，中子源32最好是同位素源，發出連續的快中子流。適用的同位素源包括鋂與鈹(Am-Be)的混合物，或是鉲-252(252Cf)。另一些中子源包括加速器型的以穩態方式工作的中子源；或是加速器型的以脈衝方式工作的中子源，其中的中子探測器響應是較大脈衝周期數的時間平均結果。近探測器34和遠探測器36最好只對能量很低的中子或熱中子或「超鎘」中子敏感。裹有一層鎘的氦了探測器能滿足上述探測器準則，這是本項工藝中周知的。為了測得φ實際，從統計觀點考慮，遠探測器36最好能對熱中子較敏感，這是因為在遠探測器處的熱中子流會顯著地少於近探測器處的熱中子流。
近探測器34與遠探測器36的相對位置能夠相對於中子源32變化，以便於進行測井儀的測量和φ實際的測量。參看圖1，此近與遠分開的探測器都可以分別位於中子源上方，取優選的軸向間距42和40。也可以使近或遠分隔的中子器的任一位於中子源上方，而讓另一探測器位於中子源下方，且井徑還最好根據近探測器的響應來測定。
探測器34和36用的電源(未圖示)以及控制與數據調節電路系統(未圖示)最好設於LWD工具22內。用於測定鑽孔直徑的近探測器的計數率CR近和用於與CR近接合以測定φ實際的遠探測器的計數率，最好經遙測而傳送到地面50上。最好採用圖中以虛線33概示的泥漿脈衝遙測系統，或是採用LWD技術中周知的其他適當遙測系統進行遙測。此外，計數率數據可以記錄於最好位於LWD工具22內的存儲裝置(未示明)內，供LWD工具返回到地面時繼後的檢索用。用計算機35將計數率數據於地面上變換為鑽孔直徑的測量值，且最好顯示出並由記錄器37作為記錄此計數率處深度的函數予以記錄，由此而構成作為鑽孔26內深度函數的鑽孔井徑記錄圖。
3.數據處理圖2是流程圖，示明結合探測器計數率CR近、地層孔隙度φ實際和環境校正值，用以獲得以d表示的鑽孔測徑儀的測量結果。
參看圖2，φ實際最好是用前述的雙探測器中子系統於步驟62測定。然後在步驟64相對於各種環境條件進行校正。若是採用雙探測器熱中子孔隙度技術，則所測的孔隙度必須相對於鑽井液重量(HI)、鑽井液鹽度、地層液鹽度、地層溫度、地層壓力等進行校正。這類校正技術是本項技術中周知的，已在前面提到的各美國專利中描述到或引用到，同時涉及到在已知的地層和鑽孔條件下對工具向應進行測量或數學模擬，由此來獲得所需的環境校正值。近探測器的計數率是在步驟66中測量。此探測器最好是熱(或超熱)中子探測器，同時還最好是如上所述產生計數率CR近的雙探測器熱中子孔隙系統的近探測器。參數φ實際和CR近是在步驟68中用前述關係結合，以獲得鑽孔直徑d的測量值。然後相對於環境條件如鑽井液重量(HI)、鑽井液鹽度、地層液鹽度、地層溫度、地層壓力等，於步驟70校正鑽孔直徑d。如同在φ實際的環境校正中，應用在已知地層和鑽孔條件下對工具響應的測量或數學模擬來獲得d的環境校正值。另外，可以在步驟68之前對環境條件校正CR近(未示明)，而不必在步驟70校正d。在步驟72，作為鑽孔26中工具26的位置或深度的函數來測量井徑d，由此產生鑽孔井徑記錄圖。
4.結果圖3a與3b示明了在8.5英寸名義鑽頭尺寸鑽出的井孔中所公開的本發明的結果。圖3a示明作為圖1所示雙探測器中子孔隙度系統求得的深度的函數的地層孔隙度的測井圖表。曲線80代表相對於環境條件校正的φ實際。圖3b是作為通過結合φ實際和根據近探測器所得計數率CR近而獲得的，同時如前所述相對於環境因素校正的深度的函數的相應並徑d的記錄圖。在顯示出良好鑽孔條件的深度間隔87中，此井徑記錄圖讀出各義值8.4英寸的直徑，這同鑽頭規格良好的一致，也就表明了這種井徑測量系統產生出非常精確的結果。這一井徑測量曲線表明出在間隔87之外有大於10英寸的顯著「衝壞」。
5.其他實施形式圖4示明了構型如具體用於鋼繩作業的示探測器中子孔隙度裝置的鑽孔測徑系統。中子源116最好沿軸線與壓力密封的筒形儀器或探頭HO中的近探測器114和遠探測器112準直。探頭110的上端由鋼繩102從槽輪132懸掛到鑽入地層101的直徑為104的鑽孔100內。近探測器114最好在中子源116上方的距離122處，而遠探測器112最好在中子源116上方的距離120處。如同在此系統的LWD實施形式中，這兩個探測器的相對於中子源的位置可以倒換，而且此近與遠探測器還可以換一種方式沿軸向分別位於中子源的各側。近探測器114的計數率數據優先地響應鑽孔壁100』和工具110』的已知外徑二者限定的環隙中的鑽孔液。於是，這一近探測器的計數率最好可再用來測定由尺寸104所表示的鑽孔直徑d。正如本項技術中所周知的，這些計數率數據是由鋼繩102中的電纜或纖維光學傳像器件傳到地面128上，然後被處理，作為這些數據被測的鑽孔中深度的函數加以記錄和顯示，而此深度的測量結果則是由深度指示儀132提供的。實際孔隙度φ實際和CR近相結合，如同前面所討論過的並如圖2所概示的，用以獲得作為深度函數的鑽孔直徑d的井徑記錄。
圖5是可以作為LWD或作為鋼繩工具輸送的鑽孔井徑儀工具150又另一種實施形式。此工具採用與中子源154沿軸向分開一段距離158的單一的中子探測器156。將實際中子孔隙度的測量結果與探測器156的計數率相結合，用前述方法獲得鑽孔井徑。與前述各實際形式相同，從中子源154發射出的中子與工具152鄰區中的鑽孔液相互作用。在此鄰區產生出能示明鑽孔液體積因而是鑽孔直徑的計數率。用來測定實際孔隙度的裝置由虛線框160表明。此裝置160能裝設於工具150內或隨工具輸送。此外，將裝置160從工具150中完全撤出可求得實際孔隙度，例如能從巖心數據獲得實際孔隙度，從邊界井中獲得孔隙度的測量結果，等等。
本發明的目的在於測量鑽入地層的鑽孔直徑。但應認識到，本發明也可用於測量鑽入任何類型物質的任何類型鑽孔的直徑，只要這種鑽孔有含氫的流體且此物質的孔隙度可以測定的話。
儘管以上描述了本發明的優選和可選擇的實施例，其範圍由後面的權利要求書確定。
權利要求
1.用來測定鑽入物質內的鑽孔直徑的方法，此方法包括(a)於所述鑽孔內設置探測器；(b)測量此探測器的表示所述鑽孔內流體的氫指數的響應；與(c)將上述響應與所述物質的孔隙度測量結果相結合，以去求得此鑽孔的直徑。
2.權利要求1所述的方法，其中(a)所述物質包括化學鍵合的氫；(b)所述孔隙度測量是中子孔隙度測量。
3.權利要求1所述的方法，其中還包括通過由中子輻照所述流體和所述物質來感出上述響應的附加步驟。
4.權利要求3所述的方法，其中所述中子是由發射連續中子流的中子源提供。
5.權利要求3所述的方法，其中所述響應關係到碰撞所述探測器的熱中子流。
6.權利要求1所述的方法，其中所述物質是地層。
7.權利要求4所述的方法，其中所述探測器和中子源是沿所述鑽孔於鑽柱或鋼繩上輸送。
8.用來測定鑽入地層內的鑽孔直徑的方法，此方法包括(a)於所述鑽孔內放置中子源並由中子輻照所述地層與此鑽孔內的物質；(b)於所述鑽孔內放置第一探測器，此探測器沿軸向與所述中子源分開並響應此中子輻照；(c)根據此第一探測器的響應，確定第一孔隙度測量結果；(d)將此第一孔隙度測量結果與地層中子孔隙度測量結果相結合，以求出所述鑽孔的直徑。
9.權利要求8所述的方法，其中所述第一孔隙度測量結果是通過使所述第一探測器響應與已知鑽孔中所述第一孔隙度測量結果和已知地層條件相關聯而求得的參數化響應函數來確定的。
10.權利要求8所述的方法，其中還包括有另外的步驟(a)於所述鑽孔內放置第二探測器，此探測器與所述中子源沿軸向分開的距離不同於所述第一探測器與其分開的距離，並響應此中子輻照；(b)結合此第一探測器的響應和第二探測器的向應，以求出第二個地層孔隙度測量結果；(c)相對環境條件校正此第二個地層孔隙度測量結果，以獲得所述的地層中子孔隙度測量結果。
11.權利要求10所述的方法，其中所述第一探測器沿軸向與所述中子源的間距比所述第二探測器的近。
12.權利要求10所述的方法，其中所述中子源發射連續的中子流。
13.權利要求10所述的方法，其中所述第一和第二探測器響應碰撞於其上的熱中子。
14.權利要求10所述的方法，其中還包括有另外的步驟(a)將所述中子源與第一和第二探測器置入鑽鍵內；(b)沿所述鑽孔於鑽柱上輸送此鑽鏈；(c)沿所述鑽孔作為所述鑽鏈的深度的函數來測量此鑽孔的直徑。
15.權利要求10所述的方法，其中還包括有另外的步驟(a)將所述中子源與第一和第二探測器置入測井儀器內；(b)沿所述鑽孔於鋼繩上輸送此儀器；(c)作為所述儀器在所述鑽孔內深度的函數來測量此鑽孔的直徑。
16.用來測定鑽入地層內的鑽孔直徑的系統，此系統包括(a)由中子輻照所述地層與所述鑽孔內物質的中子源；(b)與所述中子源沿軸向分開且響應所述中子輻照的第一探測器；(c)包含此中子源與第一探測器的壓力密封結構；以及(d)計算裝置，它用於(i)根據所述第一探測器的響應測定第一孔隙度，(ii)將上述第一孔隙度測量結果與地層中子孔隙度測量結果相結合，求出所述鑽孔的直徑。
17.權利要求16所述的系統，它還包括通過使所述第一探測器響應與已知鑽孔中的所述第一孔隙度測量結果和已知地層條件相關聯而獲得的參數化響應函數，其中此響應函數是用來確定所述第一孔隙度測量結果的。
18.權利要求17所述的系統，它包括有第二探測器，此探測器設在所述壓力密封結構中並沿軸向與所述中子源分開-不同於所述第一探測器的距離，且對所述中子輻照作出響應，其中(a)將所述第一探測器的所述響應與所述第二探測器的響應相結合，以獲得第二個地層孔隙度測量結果；(b)相對於環境條件校正此第二個地層孔隙度測量結果，由此求得所述地層的中子孔隙度測量結果。
19.權利要求18所述的系統，其中所述第一探測器沿軸向比所述第二探測器與所述中子源隔開的更近。
20.權利要求16所述的系統，其中所述中子源發射連續的中子流。
21.權利要求16所述的系統，其中(a)所述壓力密封結構是鑽鏈；而(b)所述鑽鏈是沿著所述鑽孔於鑽柱或鋼繩上輸送。
全文摘要
公開了鑽入地層的鑽孔直徑的測量系統。此系統採用中子源和至少一中子探測器。探測器在由中子源輻照後主要響應鑽孔與地層內物質的複合氫含量。採用分配響應函數來描述從此鑽孔與地層獲得的這部分探測器響應。由於得自鑽孔的探測器響應能用分配函數孤立而一般可知鑽孔液中的氫含量,若結合地層的中子孔隙度測量結果,就可由此合成的探測器響應的鑽孔響應部分來測定鑽孔直徑。中子孔隙度測量可以獨立地獲得,或可以通過使此中子探測器響應與距此中子源在不同軸向間距處的第二中子探測器的響應相結合而獲得。本系統可用於隨鑽測井和鋼繩測井作業。
文檔編號E21B47/00GK1270270SQ0010491
公開日2000年10月18日 申請日期2000年3月30日 優先權日1999年3月30日
發明者M·L·埃萬斯, D·L·貝斯特 申請人:施盧默格控股有限公司