專利名稱：利用基于鉆頭的有源輻射源和伽瑪射線檢測器進行地層評估的制作方法
技術領域：
本公開內容總體上涉及包括傳感器的鉆頭，所述傳感器用于提供與檢測來自地層的伽瑪射線相關的測量結果。
背景技術：
油井(井筒)通常是用包括具有鉆井組件(也稱為井底鉆具組件或者“BHA”)的管狀組件的鉆柱來鉆取的，鉆頭附接到該鉆井組件的底端。鉆頭旋轉，使地層破裂，從而鉆出井 筒。BHA包括用于提供與涉及鉆井操作、BHA行為以及被鉆井筒周圍地層的多個參數(地層參數)有關的信息的設備與傳感器。包括輻射檢測器在內的、通常稱為隨鉆測井(LWD)傳感器或者隨鉆測量(MWD)傳感器的多個傳感器設置在BHA中，用于估計地層的屬性。檢測在大地中自然發生的伽瑪射線(“無源測量”)或者檢測響應于從輻射源引起的輻射的、從地層中發射的輻射(“有源測量”)的輻射傳感器設置在BHA中。當鉆頭從一種類型的地層移動到另一種類型的地層時，例如從頁巖移動到沙礫或者反過來時，這樣的傳感器不緊鄰地層，并且可能無法提供與區分巖層相關的高分辨率結果。此外，輻射傳感器的這種設置無法提供關于鉆頭前面的地層的信息。因此，需要基于鉆頭的無源和有源輻射傳感器，以提供在鉆取井筒的過程中對地層屬性的改進的估計。
發明內容
在一個方面，本公開內容提供了一種鉆頭，所述鉆頭包括鉆頭體和鉆頭體中的輻射傳感器。在一個方面，輻射傳感器配置成檢測來自被鉆地層的自然發生的伽瑪射線(在這里稱為“無源模式”)。在另一個方面，輻射傳感器檢測響應于由源感生到地層中的輻射的散射的輻射(在這里稱為“有源模式”)。在一個方面，源可以選擇性地被激活和停用，使得自然發生的射線和散射的射線可以在不同的時間周期或窗口中被檢測到。在一個方面，源可以設置在鉆頭中。輻射傳感器可以集成到位于鉆頭體上的刀具中、柄中或者任何其它合適的位置中。源可以是自然發生的伽瑪射線源，例如鉀、鈾和/或釷。輻射源可以是伽瑪射線源或者中子源。輻射傳感器可以是伽瑪輻射和/或中子傳感器。在另一個方面，本公開內容提供了制造鉆頭的方法。在一個方面，該方法可以包括提供鉆頭；把配置成檢測來自地層的輻射的輻射傳感器設置在鉆頭中；把輻射源設置在鉆頭中；提供控制電路，該控制電路在于地層中鉆取井筒的過程中選擇性地激活和停用所述源。
在又一方面，本公開內容提供了在地層中鉆取井筒時使用的鉆井系統。該鉆井系統可以包括具有位于鉆具組件一端的鉆頭體的鉆頭；設置在鉆頭中并且配置成提供代表從被鉆地層所檢測到的輻射的信號的輻射傳感器；配置成把輻射感生到地層中的源；以及配置成利用從傳感器接收到的信號估計關于被鉆地層的感興趣參數的處理器。所希望的感興趣參數可以是地層和/或礦床邊界的巖性。在又一方面，本公開內容提供了在地層中鉆 取井筒的方法。該方法可以包括利用具有輻射傳感器的鉆頭鉆取井筒；檢測來自被鉆地層的輻射，所檢測到的輻射是地層中自然發生的伽瑪射線和/或響應有源感生的輻射而散射的輻射中的一種；以及處理檢測到的輻射，來估計關于地層的感興趣的屬性。對在此所公開的裝置與方法的某些特征的例子進行了有些廣義地概述，以便可以更好地理解以下對其的具體描述。當然，下文中公開的裝置與方法還有將構成所附權利要求主題的附加特征。
為了詳細理解本公開內容，應當聯系附圖參考以下具體描述，在附圖中相同的元件通常用相同的標號來指示，其中圖I是用于鉆取井筒的鉆井系統的示意圖，包括具有鉆頭的鉆柱，其中鉆頭是根據本公開內容的一種實施方式制造的；圖2是根據本公開內容一種實施方式的示例性鉆頭的等距視圖，示出了輻射傳感器在鉆頭中的設置和用于對由輻射傳感器產生的信號進行至少部分處理的電路；以及圖3示出了在根據本公開內容一種實施方式的示例性鉆頭中輻射傳感器與源的設置。
具體實施例方式本公開內容涉及使用鉆頭中的輻射傳感器從被鉆地層檢測自然發生的伽瑪射線與響應由源感生的輻射而產生的輻射的設備與方法。本公開內容容許有不同形式的實施方式。附圖示出并且說明書描述了本公開內容的具體實施方式
，但應當理解本公開內容應當被看作所公開內容原理的示例而不是要把所公開內容限制到在此所說明和描述的公開內容。圖I是示例性鉆井系統100的示意圖，該系統可以使用在此所公開的鉆頭來鉆取井筒。圖I示出了井筒110，包括在其中安裝了外套112的上段111和用鉆柱118鉆取的下段114。鉆柱118包括在其底端攜帶鉆具組件130 (也稱為井底鉆具組件或者“BHA”)的管狀組件116。管狀組件116可以通過連接鉆管部分來形成或者它也可以是盤管。鉆頭150附接到BHA 130的底端，以使巖層破裂，從而在地層119中鉆出選定直徑的井筒110。沒有示出例如推進器、穩定器、定心器的設備和例如用于在期望方向引導鉆具組件130的引導單元的設備。術語井筒和鉆孔在這里作為同義詞使用。鉆柱118示為從位于地面167的鉆塔180傳送進入井筒110。為了方便解釋，圖I中示出的示例性鉆塔180是陸地鉆塔。在此所公開的裝置與方法還可以與用于鉆取海上井筒的鉆塔一起使用。在地面處耦合到鉆柱118的轉臺169或者頂驅(未示出)可以用于旋轉鉆柱118并由此旋轉鉆具組件130和鉆頭150來鉆取井筒110。也可以提供鉆井電動機155(也稱為“泥漿馬達”)來旋轉鉆頭。控制單元(或者控制器)190可以是基于計算機的單元，其可以設置在地面167處，用于接收和處理由鉆頭中的傳感器和鉆具組件130中的其它傳感器發送的數據，并且用于控制鉆具組件130中各種設備和傳感器的選定操作。在一種實施方式中，地面控制器190可以包括處理器192、用于存儲數據的數據存儲設備(或者計算機可讀介質)194和計算機程序196。數據存儲設備194可以是任何合適的設備，包括但不限于只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、閃存存儲器、磁帶、硬盤和光盤。為了鉆取井筒，來自鉆井液源179的鉆井液在壓力下泵送到管狀組件116中。鉆井液在鉆頭150的底部釋放并且經鉆柱118與井筒110內壁之間的環形空間(也稱為“環帶”)返回地面。仍然參考圖1，鉆頭150可以包括一個或多個輻射源162。在一個方面，輻射源可以是伽瑪射線源，例如銫-137 (CS-137)。當伽瑪射線輻射感生到地層中時，所感生出的伽瑪射線與地層相互作用并散射。鉆頭還可以包括傳感器，所述傳感器被配置成檢測來自地層的、響應由伽瑪射線源感生的伽瑪射線而散射的伽瑪射線。這種傳感器還可以用于檢測地層中自然發生的伽瑪射線。自然發生的伽瑪射線是在沒有從輻射源感生的伽瑪射線的情況下由地層發射的伽瑪射線。這種自然發生的伽瑪射線在這里稱為無源伽瑪射線，并且其中檢測無源伽瑪射線的工作模式稱為無源模式。在另一個方面，源162可以是中子源，例如 镅-241/鈹(AmBe)源。當在地層中感生中子輻射時，中子在地層中散射。在這種情況下，鉆頭中的傳感器檢測到來自地層的散射中子。有時候，感生出的輻射可能造成地層中二次輻射的發射。散射輻射和二次輻射在這里都稱為二次輻射，并且其中檢測二次輻射的工作模式稱為有源模式。在另一個方面，鉆頭可以既包括中子源和傳感器，又包括伽瑪射線源和傳感器，以便檢測來自地層的伽瑪射線與中子。在又一方面，來自源162的輻射可以選擇性地暴露給地層，使得傳感器160在地層暴露給這種輻射之后在特定時間段內檢測二次輻射。在來自源的輻射沒有暴露給地層的時間段內，可以檢測到無源伽瑪射線。鉆具組件130還可以包括一個或多個井下傳感器(也稱為隨鉆測量(MWD)傳感器)(由標號175統一指不)及至少一個用于處理從MWD傳感器175和鉆頭150接收到的數據的控制單元(或者控制器)170。控制器170可以包括例如微處理器的處理器172、數據存儲設備174和程序176，該程序由處理器用于處理井下數據并且經雙向遙測單元188與地面的控制器190交換數據。遙測單元188可以利用通信上行鏈路和下行鏈路。示例性通信可以包括泥漿脈沖遙測、聲學遙測、電磁遙測及沿鉆柱118設置的一個或多個導體(未示出)(也稱為有線管道)。數據導體可以包括金屬線、光纖線纜或者其它合適的數據載體。動力單元178向鉆頭和BHA中的電氣傳感器與電路提供動力。在一種實施方式中，動力單兀178可以包括由鉆井液和發電機驅動的渦輪。MWD傳感器175可以包括用于測量近鉆頭方向(例如，BHA方位角和傾斜、BHA坐標等)、雙旋轉方位角福射、鉆孔與環帶壓力(流動和溢放(flow-on&flow-off ))、溫度、振動/運動、多傳播電阻率的傳感器，以及用于進行旋轉方向勘測的傳感器與工具。示例性的傳感器還可以包括用于確定與地層、鉆孔、地球物理特性、鉆井液和邊界條件有關的感興趣參數的傳感器。這些傳感器包括地層評估傳感器(例如，電阻率、介電常數、含水飽和度、孔隙度、密度和滲透性)、用于測量鉆孔參數的傳感器(例如，鉆孔尺寸和鉆孔粗糙度)、用于測量地球物理參數(例如，聲速和聲波傳輸時間)的傳感器、用于測量鉆井液參數(例如，粘度、密度、透明度、流變能力、PH水平、以及氣、油和水的含量)的傳感器、邊界條件傳感器、及用于測量鉆井液的物理和化學屬性的傳感器。鉆頭中的輻射源與傳感器的細節參考圖2-4更具體地描述。圖2示出了示例性鉆頭150的等距視圖，該鉆頭150可以包括設置在鉆頭中的合適位置的輻射傳感器(總體上由標號240指示)和源(總體上由標號270指示)。出于解釋的目的，示出了聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭。對于本公開內容，任何其它類型的鉆頭都可以使用。鉆頭150示出為包括鉆頭體212，該鉆頭體包括錐體212a和柄212b。錐體212a包括多個葉片輪廓(或者說輪廓)214a、214b、…、214η。沿每個輪廓設置多個刀具。例如，輪廓214a示為包含刀具216a-216m。所有輪廓都示為在鉆頭150的底部或面215終止。每個刀具都具有切割表面或者切割元件，例如刀具216a的元件216a’，當鉆頭在鉆取井筒的過程中旋轉時，該切割兀件與巖層哨合。圖2示出了用于輻射傳感器240的多個位置。在一種布置中，輻射傳感器240a可以設置在柄212b中。在另一種實施方式中，輻射傳感器240b可以集成到刀具中。這種傳感器可以設置在鉆頭150中任何其它合適的位置，包括但不限于頂部212a，例如輻射傳感 器240c。輻射傳感器240a、b、c可以配置成接收沿軸向位于鉆頭前面或者各方位角位置的地層的自然輻射和/或二次輻射。導體242把來自傳感器封裝240的信號提供給電路250，用于處理傳感器信號。電路250或者其一部分可以設置在鉆頭150中或者鉆頭的外面。在一個方面，電路250放大來自傳感器240的信號并且處理這種信號，以提供所期望的感興趣的地層屬性。在一個方面，伽瑪射線傳感器可以利用光學耦合到光電倍增管的傳感器元件，例如閃爍晶體，如碘化鈉(NaI)晶體。來自光電倍增管的輸出信號可以發送到合適的電子器件封裝，該電子器件封裝可以包括前置放大和放大電路。放大后的傳感器信號可以發送到處理器172。在某些應用中，由于其尺寸和光電倍增管的使用，閃爍伽瑪射線檢測器(例如結合了碘化鈉晶體的那些)可能不合適。在本公開內容的某些其它實施方式中，可以使用固態的伽瑪射線檢測器。這種設備的一個例子在Ruddy等人的U. S. 5，969，359中示出。固態檢測器相對較小，并且可以在鉆頭中朝向任何方向。本公開內容的另一種實施方式可以利用光電二極管檢測器，其長波長截止在短波長范圍內并且具有降低的溫度敏感性。光電二極管可以與閃爍設備相匹敵，其中閃爍設備的輸出與用于核測井設備的光電二極管的響應曲線匹配。一種示例性的閃爍設備在Estes等人的U. S. 7，763，845中公開，該專利具有與本公開內容相同的受讓人，其內容通過引用包含于此。在本公開內容的一些實施方式中，可以為傳感器提供井下冷卻設備，例如使用電子的量子熱隧穿的設備。一種示例性的冷卻處理在DiFoggio等人的美國專利No. 7，571，770中公開，該專利具有與本公開內容相同的受讓人，其內容通過引用包含于此。仍然參考圖2，輻射源可以設置在鉆頭150中任何合適的位置。作為例子，圖2示出了設置在錐體212a中的源270a或者設置在柄212b中的源270b。如以上所指出的，源270a可以是任何合適的源，例如銫源，包括但不限于CS-137或者其它的伽瑪源和AmBe或者其它的中子源。在一個方面，源270a或者270b可以包括封裝在外殼272中的源元件276a，其中外殼272具有可以選擇性地打開和關閉持續選定時間段(也稱為時間窗口)的窗口 274。以這種方式，來自源的輻射可以感生到地層中，持續選定的時間段。視具體情況而定，傳感器240a、b、c檢測響應于感生的輻射而從地層散射的輻射和/或檢測自然發生的伽瑪射線。視具體情況而定，源270a和270b還可以包括控制單元278，用于選擇性地打開和關閉窗口274，以選擇性地激活和停用源元件276a和276b。在一個方面，控制單元278可以是液壓操縱的設備，例如通過鉆井流體流動驅動的可移動組件(例如開閉器)，或者是電氣操縱的設備，例如電動機。流體可以在相反的方向提供，來打開和關閉窗口 274。在各方面，傳感器封裝240a、b、c可以配置成使用伽瑪射線譜來確定在地質地層中自然出現的鉀、鈾和釷濃度的量。因為這些元素與以特征能量發射伽瑪輻射的放射性同位素關聯，所以對來自這些元素的伽瑪輻射的測量是有可能的。地層中存在的每種元素的量可以通過其在給定能量下對伽瑪射線通量的貢獻來確定。測量這些特定元素濃度的伽瑪福射稱為譜剝離，這是指減去能量窗口中不想要的譜元素的貢獻。能量窗口包括選擇成在伽瑪射線能量譜中包括期望元素的特征能量的上下邊界。在實踐當中，譜剝離可以通過初始在人造地層中用標準條件下鉀、鈾和釷的已知濃度對工具進行校準來實現。用于檢測或測量自然發生的伽瑪輻射的說明性設備包括磁譜儀、閃爍譜儀、比例氣體計數器和具有固態計數器的半導體。在另一個方面，伽瑪射線源與伽瑪射線檢測器可以配置成測量被源感生到地層中并被地層散射的伽瑪射線。然后，可以處理所記錄的伽瑪射線的能量譜，以測量地層密度。在另一個方面，源與傳感器可以配置成檢測中子，以確定地層屬性，包括中子的 孔隙度。在各個方面，配置成檢測自然發生的伽瑪射線的基于鉆頭的伽瑪射線傳感器可以提供鉆頭150附近的巖性或巖性變化的早期指示或第一指示。在實施方式中，來自基于鉆頭的伽瑪射線傳感器的信號可以用來估計用于被鉆地層的能量特征。其后，檢測到的能量特征可以與來自具有已知巖性的參考地層的能量特征進行比較或者關聯。這種比較或者關聯可以用于估計或者預測被鉆地層的巖性。在一種實施方式中，傳感器封裝240可以提供主要的或者唯一的可以從其估計巖性或巖性變化的測量結果。在其它實施方式中，由傳感器封裝240提供的測量結果可以結合由MWD系統170中的地層評估傳感器所提供的測量結果來使用，從而估計巖性特性或者巖性特性中的變化。無源伽瑪射線的分析提供不同類型巖石(例如頁巖和沙礫)之間的差別。散射或有源伽瑪射線的分析提供巖石成分(例如釷、鉀和鈾)的定量度量，這種度量可以用于估計巖石屬性，例如密度。所估計的地層屬性可以用于改變一個或多個鉆井參數。例如，沙礫比頁巖硬得多。因此，例如，當鉆頭從頁巖地層移動到沙礫地層時，使用由伽瑪射線分析提供的這種信息的鉆孔機可以選擇增加鉆壓和/或降低鉆頭的旋轉速度。以相同的方式，當從沙礫移到頁巖時，鉆孔機可以選擇改變鉆井參數，以獲得更高的穿透速率。圖3示出了根據本公開內容的一種實施方式的柄212b的某些細節。柄212b包括向鉆頭150的錐體212a提供鉆井液的孔310及圍繞孔310的一個或多個環形部分，例如頸部312、凹陷部分314和圓形部分316。頸部312的上端包括凹陷區域318。頸部312上的螺紋319把鉆頭150連接到鉆具組件130 (圖I)。包含輻射傳感器332的傳感器封裝240可以設置在柄中任何合適的位置。在一個方面，傳感器封裝240可以設置在柄的部分314中的凹部336中。導體242可以從傳感器332延伸到凹部318中的電路250。電路250可以通過從電路250延伸到控制器170的通信鏈路耦合到井下控制器170 (圖I)。在一個方面，電路250可以包括放大來自傳感器332的信號的放大器和數字化放大后的信號的模數(A/D)轉換器(總體上由標號251示出)。電路250還可以包括處理器252 (例如微處理器)、存儲設備254 (例如存儲器設備)和程序256，其中處理器252可以訪問所述程序256來處理傳感器信號。電路250與控制器170之間的通信可以由直接連接、聲學遙測或者任何其它合適的方法來提供。對于電路250的電力可以由電池或者經電導體由BHA 130 (圖I)中的發電機來提供。在另一個方面，傳感器信號在沒有在先放大的情況下也可以數字化。此夕卜，傳感器封裝240的全部部件都可以共同地或者單獨地位于鉆頭中。例如，感測元件可以設置在刀具附近，而信號調節元件可以設置在柄212b中。傳感器封裝240可以設置在鉆頭體150的表面。如果感測元件凹入鉆頭150中，那么由對輻射透明的介質形成的窗口可以插在該感測元件與鉆頭體150的表面之間。此外，源270可以設置在任何合適的位置，包括腔體370。對源的控制單元272的電力可以由電路250中的電池或者從BHA 130提供。如果使用流體打開和關閉源開閉器，那么鉆井液可以經控制閥門382經流體通道380引向源控制單元。每次當流體提供給窗口時，它就從其當前位置改變到另一個位置，例如從打開位置改變到關閉位置，或者反過來。參考圖1-3，在鉆井操作中，來自傳感器332或者電路250的信號可以發送到控制器170。在一種工作模式中，利用井下鉆井控制，控制器170可以處理這種信號，來估計巖性 特性。其后，控制器170中的處理器172可以至少部分地基于對巖性的估計來控制一個或多個鉆井參數。例如，處理器172可以配置成發送命令來改變鉆壓或者改變鉆頭150的旋轉速度。例如，可以因為相對硬的層在鉆頭前面而發出降低WOB或者RPM的命令。在另一種情況下，可以因為相對軟的層在鉆頭150前面而發出提高WOB或者RPM的命令。總的來說，鉆井人員和/或地面/井下控制設備可以啟動對鉆井參數的改變，隨著鉆具組件130進入地層，最優地鉆入給定的地層。在利用地面控制的另一種工作模式中，傳感器信號或者所測量出的輻射的計算值可以由控制器170確定，并且發送到地面控制器190，用于進一步處理。所測量出的輻射可以用于估計被鉆地層的能量特征。其后，這種估計的能量特征可以與具有已知巖性的地層的能量特征進行比較，來估計被鉆地層的巖性。在一個方面，地面控制器190可以利用任何這種信息來引發一個或多個改變，包括但不限于，改變鉆壓、鉆頭的旋轉速度及流體流的速率，從而提高鉆井操作的效率并延長鉆頭150和鉆具組件130的壽命。對鉆井參數的調整的早期實現可以提供更有效的鉆井，并延長鉆頭150和/或BHA的壽命。在又一種工作模式中，利用來自傳感器封裝240的數據對地層估計的屬性可以用于地質引導鉆具組件130。由傳感器封裝240提供的測量結果可以被處理器172和/或192持續地或者周期性地處理，來估計一個或多個特定地下特征的位置。即，所檢測到的能量特征可以與所述一個或多個地下特征的預測能量特征進行比較。這種比較可以用于確定所述地下特征是否存在及該地下特征的相對位置。地質引導的目標可以包括在識別出的油水界面附近選定的深度鉆斜鉆孔、在油水界面之上鉆取井筒或者通過地層、在氣帽下維持鉆井深度、避免頁巖透鏡體(shale lens)和/或在水平鉆井中相對于感興趣的礦床邊界引導路線。在一種實施方式中，輻射傳感器測量結果可以用于估計流體接觸、礦床邊界及其它地下特征的位置或者到其的距離，這種估計可以用于引導鉆具組件130。在一種優選的閉環工作模式中，處理器172和/或192包括關于期望的井剖面或軌跡和/或目標地層的期望特性的指令。處理器172和/或192保持對鉆井行為的各個方面的控制，以維持關于感興趣的地下地層的期望位置。例如，在示例性操作中，傳感器封裝240提供關于自然發生的伽瑪射線發射的數據。處理器172可以使用這種數據來評估鉆頭150前面的地層并確定鉆具組件130相對于礦床邊界或其它地下特征的接近程度、位置或朝向，并且，如果需要的話，發出防止鉆具組件130離開目標地層或進入不期望地層的引導指令。鉆具組件130的這種自動化控制可以包括與地面控制單元190的周期性雙向遙測通信，其中地面控制單元190從井下處理器172接收選定的傳感器數據和處理后的數據并向其發布命令指令。由控制單元190發送的命令指令可以例如基于根據從地面傳感器(未示出)和井下傳感器接收到的數據的計算。處理器172重新配置鉆具組件130的引導單元(未示出)，以重新確定鉆具組件130的朝向，從而在期望的方向中鉆井。因而，在一個方面，本公開內容提供了一種鉆頭，在一種實施方式中，該鉆頭包括鉆頭中的源和鉆頭體中的傳感器，其中源配置成在鉆取井筒的過程中把輻射感生到鉆頭周圍的地層中，而傳感器配置成在鉆取井筒的過程中檢測來自被鉆地層的輻射。在一個方面，源包括可以選擇性地把輻射暴露給地層的放射性元素。在一種實施方式中，控制單元包括在第一位置把來自源的輻射暴露給地層并且在第二位置防止來自源的輻射暴露給地層的組件。在另一個方面，控制單元包括配置成在所述第一位置和第二位置之間移動所述組件的動力單元。在各個方面中，所述動力單元可以是包括電動機在內的電氣操作的單元、液壓操作的設備或者其它合適的設備。液壓操縱的設備可以包括配置成提供流體(例如鉆井液)的流體供給線，用于在第一位置和第二位置之間移動組件。合適的流控制設備，例如閥門，可以控制流體向源的提供。在另一個方面，可以在鉆頭中提供控制電路，來處理由傳感器提供的信號。在又一方面，傳感器可以集成到鉆頭的刀具中，所述刀具位于鉆頭的柄或者錐體中。另外，來自控制電路的通信鏈路可以提供與遠端設備，例如處理器，的數據通信。在又一方面，提供了一種制造鉆頭的方法，在一種實施方式中，該方法包括把輻射源設置在鉆頭中，以在鉆取井筒的過程中把輻射感生到鉆頭周圍的地層中，以及在鉆頭中設置輻射傳感器，該輻射傳感器配置成檢測來自地層的輻射并提供代表從被鉆地層檢測到的輻射的信號。在一個方面，把源設置在鉆頭中還可以包括把放射性元素設置在鉆頭中以及把控制單元設置在鉆頭中，以選擇性地把來自放射性元素的輻射暴露給地層。在又一·方面，提供了一種在地層中鉆取井筒的方法，在一種實施方式中，該方法可以包括用鉆頭鉆取井筒；通過鉆頭中的源把輻射感生到地層中；以及通過鉆頭中的傳感器檢測響應所感生的輻射的來自地層的輻射；并且提供代表所檢測到的輻射的信號。該方法還可以包括停止把輻射從源感生到地層中；及檢測地層中自然發生的伽瑪射線并且提供代表所檢測到的自然發生的伽瑪射線的信號。在又一方面，該方法還可以包括處理代表自然發生的伽瑪射線的信號和代表從地層檢測到的響應所感生的輻射的輻射的信號，來估計地層的感興趣的屬性。感興趣的屬性可以是以下一個或多個礦床邊界的位置；被鉆地層的巖性；地層的密度；及地層的中子孔隙度。該方法還可以包括至少部分地基于從處理代表所檢測到的輻射的信號獲得的信息來調整鉆井參數。鉆井參數可以包括以下一個或多個(i)鉆壓；(ii)鉆頭的旋轉速度；及(iii)鉆井液向攜帶鉆頭的鉆柱的供給。以上描述針對特定的實施方式，以進行說明和解釋。但是，對本領域技術人員來說，很顯然，在不背離在此所公開的概念與實施方式的范圍和主旨的情況下，可以對以上所述的實施方式進行許多修改和變化。所附權利要求希望解釋為包括所有這樣的修改和變化。
權利要求
1.一種鉆頭,包括鉆頭體；所述鉆頭體中的源，配置成在鉆取井筒的過程中把輻射感生到所述鉆頭周圍的地層中；以及所述鉆頭體中的至少一個傳感器，配置成在鉆取井筒的過程中檢測響應于在地層中感生的輻射的輻射。
2.如權利要求I所述的鉆頭，其中所述源選自包括伽瑪射線源及中子源的組。
3.如權利要求I所述的鉆頭，其中所述至少一個輻射傳感器包括選自包括以下傳感器的組的傳感器中子傳感器和伽瑪射線傳感器。
4.如權利要求I所述的鉆頭，還包括配置成選擇性地把地層暴露于來自所述源的輻射的控制單元。
5.如權利要求4所述的鉆頭，其中所述控制單元包括可移動組件，所述可移動組件在第一位置把來自所述源的輻射暴露給地層，而在第二位置防止地層暴露于來自所述源的輻射。
6.如權利要求4所述的鉆頭,其中所述控制單元包括動力單元,該動力單元配置成在所述第一位置和所述第二位置之間移動所述可移動組件。
7.如權利要求6所述的鉆頭,其中所述動力單元選自包括以下單元的組電氣操作的單元；以及液壓操作的單元。
8.如權利要求7所述的鉆頭，還包括閥門，該閥門配置成控制流體向所述可移動組件的提供，以便在所述第一位置和所述第二位置之間移動所述可移動組件。
9.如權利要求I所述的鉆頭，還包括配置成處理由所述至少一個傳感器提供的信號的控制電路。
10.如權利要求I所述的鉆頭，其中所述至少一個傳感器集成到所述鉆頭的刀具中。
11.如權利要求I所述的鉆頭，其中所述至少一個傳感器設置在所述鉆頭的柄、錐體、 葉片或刀具中的一個中。
12.如權利要求I所述的鉆頭，還包括配置成在遠端設備與所述至少一個傳感器之間提供數據通信的通信鏈路。
13.一種提供鉆頭的方法，包括把源設置在所述鉆頭中，以在鉆取井筒的過程中把輻射感生到所述鉆頭周圍的地層中；把傳感器設置在鉆頭體中，所述傳感器配置成檢測響應于在地層中感生的輻射的輻射并且提供代表所檢測到的輻射的信號；以及處理所述信號，以便估計地層的屬性。
14.如權利要求13所述的方法，還包括在所述鉆頭中提供控制單元，所述控制單元配置成選擇性地把來自放射性元素的輻射暴露給地層。
15.—種在地層中鉆取井筒的方法,包括用鉆孔機在地層中鉆取井筒；從鉆頭中的源把輻射感生到地層中；由鉆頭中的傳感器檢測來自地層的響應于所感生的輻射的輻射并且提供代表所檢測到的輻射的信號；以及處理所述信號，以便估計地層的屬性。
16.如權利要求15所述的方法,還包括停止把輻射從所述源感生到地層中持續選定的時間段；檢測地層中自然發生的伽瑪射線并且提供代表這種檢測到的自然發生的伽瑪射線的信號；以及利用代表所檢測到的自然發生的伽瑪射線的信號來估計地層的屬性。
17.如權利要求16所述的方法，還包括處理代表自然發生的伽瑪射線的信號和代表從地層檢測到的響應感生的輻射的輻射的信號，來估計地層的感興趣的屬性。
18.如權利要求17所述的方法，其中地層的屬性選自包括以下各項的組礦床邊界條件；地層的巖石性質；地層密度；地層孔隙度；及地層Sigma指數。
19.如權利要求15所述的方法，還包括基于從信號處理獲得的信息調整至少一個鉆井參數。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述至少一個鉆井參數選自包括以下參數的組 (i )鉆壓；(i i )鉆頭的旋轉速度；及(i i i )流體的供給。
全文摘要
根據一種實施方式制造的鉆頭包括配置成在鉆取井筒的過程中把輻射感生到地層中的源和在鉆頭中配置成檢測響應由源感生的輻射的、來自地層的輻射的傳感器。鉆頭還可以包括配置成處理從傳感器接收到的信號以便估計地層屬性的電路。
文檔編號E21B47/026GK102933793SQ201180026363
公開日2013年2月13日 申請日期2011年4月19日 優先權日2010年4月19日
發明者T·T·鄭, E·沙利文, D·A·柯里, 小民·C·程, F·因納克, 劉翼 申請人:貝克休斯公司