由核譜學確定絕對元素濃度的制作方法

專利名稱：由核譜學確定絕對元素濃度的制作方法
技術領域：
本公開總體涉及中子感應伽瑪射線能譜學，并且更具體地涉及由中子感應伽瑪射 線能譜學確定絕對元素濃度的技術。
背景技術：
使用核井下工具，可以使用各種技術確定地下地層的元素濃度。可以使用來自散 射在地層中的伽瑪射線的密度和光電效應(PEF)測量值的信息間接確定地層巖性。可以通 過檢測中子感應伽瑪射線直接檢測地層元素。當中子源將中子發射到地層中時，可以產生 中子感應伽瑪射線，所述中子可以通過非彈性散射、高能量核反應、或中子俘獲與地層元素 相互作用。在非彈性散射核轉變(event)( “非彈性伽瑪射線”)或中子俘獲核轉變(“中子 俘獲伽瑪射線”)中發射的伽瑪射線可以具有特征能量，所述特征能量可以基于各種能譜學 技術識別所發射的伽瑪射線的具體同位素。涉及非彈性能譜學解釋的技術可以基于可歸因 于各種特征能量的非彈性伽瑪射線的元素產額的比值。在大多數情況下要注意的是，已經 使用由于碳而檢測到的伽瑪射線的數量與由于氧而檢測到的伽馬射線的數量的比值(“C/ 0比”)來估算地層含油飽和度。使用比值的優點在于一些儀器影響(例如，可變中子輸出 和多個環境影響)將互相抵消。使用比值的缺點在于通常更加難以解釋。對于估算充滿水 的井眼中的含油飽和度的簡單情況來說，C/0比由于可歸因于來自井筒流體和水泥環空的 氧的伽瑪射線而可能變得復雜，而可歸因于碳的所有伽瑪射線將來源于地層。涉及中子俘獲能譜學的類似技術可以涉及采集和分析中子伽馬射線能量譜。通常 包括在中子俘獲能譜中的元素可以包括Si、Ca、i^e、S、Ti、Gd、H、Cl及其它元素，并且有時包 括Al、Na、Mg、Mn、Ni及其它少量或微量元素。然而，使用這種技術確定的元素濃度還可以 僅大致識別地層元素的相對濃度，除非地層元素的絕對濃度已經是已知的或被正確估算。用于估算地層中的絕對元素濃度的一些其它技術可能涉及能譜學測井數據的氧 化物閉合歸一化值，或者可能及具有活化和/或天然伽瑪射線測量值的補充能譜學測井數 據。然而，閉合歸一化值可能取決于對未測量元素的準確締合(association)，這可能會根 據地層元素的精確組合而變化。另外，閉合歸一化值可能取決于使用可能會影響能譜的所 有元素(除了 K和Al)，所述元素中的一些可以不必與其它元素一樣被精確確定。活化和/ 或天然伽瑪射線測量值的使用還可能具有多種缺點。例如，這種測量值通常可能需要高度 復雜的測井儀和較長的測量時間。

發明內容
以下說明與原始主張的實施例在保護范圍方面相對應的一些方面。應該理解的是 這些方面僅僅為閱讀者提供實施例可以采取的一些形式的簡要概述，并且這些方面不旨在 限制實施例的保護范圍。相反，實施例可以包括以下沒有說明的各種方面。本發明的實施例總體涉及一種用于使用中子感應能譜學估算地下地層中的絕對元素濃度的系統和方法。例如，用于估算地下地層中的元素的絕對產額的系統可以包括井 下工具和數據處理電路。井下工具可以包括中子源，用于將中子發射到地下地層中；中子 監測器，用于檢測所發射的中子的計數率；和伽瑪射線探測器，用于獲得伽瑪射線能譜，所 述伽瑪射線能譜至少部分地由非彈性伽瑪射線和中子俘獲伽瑪射線得到，所述非彈性伽瑪 射線由所述非彈性散射核轉變產生，所述中子俘獲伽瑪射線由所述中子俘獲核轉變產生。 數據處理電路被構造成由所述伽瑪射線能譜確定相對元素產額；和至少部分地根據相對 元素產額相對于所發射的中子的計數率的歸一化值確定絕對元素產額。


本公開的優點在獲悉以下詳細說明和參考附圖時可以變得清楚可見，其中圖1是根據一個實施例的、包括用于根據中子感應伽瑪射線的能譜分析測量絕對 元素濃度的井下工具和數據處理電路的系統的示意性方框圖；圖2是根據一個實施例的、使用圖1的井下工具的測井操作的示意性方框圖；圖3是根據一個實施例的、說明用于根據中子感應伽瑪射線測量值確定地層中的 絕對元素產額的方法的實施例的流程圖；圖4是根據一個實施例的、說明用于根據中子感應伽瑪射線測量值確定地層和井 眼中的部分絕對元素產額的方法的實施例的流程圖；圖5是根據一種實施例的、說明用于根據確定的絕對元素產額確定絕對元素濃度 的實施例的流程圖；和圖6是根據一個實施例的、說明用于使用氧化物閉合技術和相對產額驗證絕對元 素濃度的方法的實施例的流程圖。
具體實施例方式一個或多個具體的實施例描述如下。在努力提供這些實施例的簡潔說明中，不是 實際實施方案的所有特征都在說明書中被描述。應該認識的是在任意這種實際實施方案的 發展中，如在任何工程或設計項目中，必須進行多個實施方案(具體判定)以實現研發者的 特定目標，例如具有系統相關和商業相關約束的靈活性，所述靈活性在一種實施方案和另 一種實施方案之間不同。此外，應該認識的是這種研發工作可能是復雜并且耗時的，然而對 得益于本公開的普通技術人員來說卻是一項設計、制造、和生產的程序化任務。目前公開的主題的實施例總體涉及用于中子感應伽瑪射線能譜學的系統和方法。 具體地，目前公開的主題涉及用于確定地下地層的絕對元素濃度的技術。這些技術可以涉 及通過利用中子轟擊地下地層而在地層中產生非彈性散射核轉變和中子俘獲核轉變，這可 以發射非彈性伽瑪射線和中子俘獲伽瑪射線。非彈性伽瑪射線和中子俘獲伽瑪射線可以具 有表征從其獲得非彈性伽瑪射線和中子俘獲伽瑪射線的元素的能譜。可以監測所發射的中子的數量，或者以其它方式知道所發射的中子的數量，并且 可以測量產生的伽瑪射線頻譜，并相對于監測到的中子輸出對所述產生的伽瑪射線頻譜標 進行歸一化。已經確定的是絕對元素濃度的估計值可以由絕對伽瑪射線能譜學元素產額獲 得，這可以被稱作伽瑪射線能譜學產額，所述伽瑪射線能譜學產額通過已監測到或已知的 中子輸出和各種環境校正值被歸一化以說明地層和/或井眼性質。如這里所使用的，術語“絕對產額”不表示相對于已知地層元素執行伽瑪射線能譜學測量。相反，根據如下所述的 技術，可不需要其它元素的直接測量來獲得經驗閉合因子。考慮到上述，圖1顯示用于確定地下地層的絕對元素濃度的系統10，所述系統包 括井下工具12和數據處理系統14。以示例的方式，井下工具12可以是用于對現有井進行 測井的試井鋼絲或電纜測井儀，或者井下工具12可以安裝在用于隨鉆測井(LWD)的底部鉆 具組合中。數據處理系統14可以裝入到井下工具12中或可以位于遠距離處。井下工具12 可以被殼體16包圍。井下工具12可以包括被構造成將中子發射到地下地層中的中子源18。僅以示例 的方式，中子源18可以是諸如斯倫貝謝技術公司的Minitron 的電子中子源，該中子源可 以通過d-D和/或d-T反應產生中子脈沖。另外或者可選地，中子源18可以是諸如AmBe 或252Cf的放射源。中子源18的中子輸出可以通過使用各種技術而已知。例如，如果中子源18包括 放射源，則中子源18的絕對輸出可以通過校準來確定。另外，因為放射源可以遵循已知的 指數衰變率并且可以具有已知的半衰期，因此中子源18的絕對輸出可以通過計算作為自 校準開始的時間的函數的中子源18活性的變化來確定。如果中子源18包括電子中子發生器，則中子源18的給定瞬時輸出可以取決于控 制中子的生成并因此控制中子源18的中子輸出的多個參數。其中，這些參數可以包括在中 子發生器管內供應的離子束流、施加到所述管的加速高壓、和離子源的操作。然而，即使所 有這些參數被精密調節，也可能不能確保恒定中子輸出，因為由于中子發生器操作特性隨 時間和溫度的變化而可能使中子輸出發生短期波動。另外，由于發生器管的老化使得更長 期的變化可能會進一步影響中子源18的中子輸出。因此，在一些實施例中，中子監測器20可以監測來自中子源18的中子輸出。中子 監測器20可以例如是塑料閃爍器和光電倍增器，該塑料閃爍器和光電倍增器可以主要檢 測直接來自中子源18的沒有被散射的中子，并且可以提供與來自中子源18的中子輸出率 成比例的計數率信號。如以下更加詳細地所述，中子輸出不管是通過中子源18的校準和 /或適當的計算來確定或通過使用中子監測器20來確定，所述中子輸出都可以用于確定可 歸因于各種地層元素的絕對能譜產額。中子屏蔽件22可以將中子源18與井下工具12中的各種探測器分開。可以包括 諸如鉛的元素的類似屏蔽件M防止伽瑪射線在井下工具12的各種探測器之間移動。井下 工具12還可以包括一個或多個伽瑪射線探測器，并且可以包括三個或更多個伽瑪射線探 測器。圖1中所示的井下工具12包括兩個伽瑪射線探測器沈和觀。可以改變伽瑪射線探 測器沈和/或觀在井下工具12中的相對位置。伽瑪射線探測器沈和/或28可以容納在各自的殼體30中。通過產生光，伽瑪射 線探測器沈和/或觀中的閃爍器晶體32能夠通過當伽瑪射線散射或被俘獲在閃爍器晶 體32中時檢測伽瑪射線的計數或能譜。閃爍器晶體32可以是含有例如NaI (Tl)、LaCl3^ LaBr3^ BGO, GSO、YAP和/或其它適當材料的無機閃爍探測器。殼體34可以包圍閃爍器晶 體32。當伽瑪射線被吸收并且由閃爍器晶體32發射的光已經穿過光學窗口 38時，光探測 器36可以檢測該光。伽瑪射線探測器沈和/或觀可以被構造成獲得伽瑪射線計數和/ 或伽瑪射線能譜，并因此可以包括伽瑪射線脈沖高度分析器。
一個或多個中子探測器21可以在井下工具12中位于其它位置，并且可以如下所 述用于確定各種環境校正因子。具體地，一個或多個中子探測器21可以是熱中子探測器、 超熱中子探測器或快中子探測器，該探測器可以允許測量對在伽瑪射線探測器26和/或觀 附近的熱中子通量和/或超熱中子通量的相關性。這種熱中子通量和/或超熱中子通量可 以通過遠離中子源18定位的一個或多個中子探測器21進行測量或估算。來自中子監測器20、中子探測器21、和伽瑪射線探測器沈和/或28的信號可以 作為數據40被發送到數據處理系統14和/或可以通過井下工具12中的嵌入式處理器被 處理或預先處理。數據處理系統14可以包括諸如個人計算機的通用計算機，該計算機被構 造成運行各種軟件，包括執行本技術的所有技術或該技術的一部分的軟件。可選地，其中， 數據處理系統14可以包括被構造成根據作為系統的一部分而提供的專用軟件和/或硬件 執行本技術的所有技術或該技術的一部分技術的主計算機、分布式計算系統、或專用計算 機或工作站。此外，數據處理系統14可以包括單個處理器或多個處理器以便于執行目前所 公開的功能。通常，數據處理系統14可以包括數據處理電路44，該數據處理電路可以是諸如可 以執行各種程序和處理功能的中央處理單元(CPU)的微控制器或微處理器。例如，數據處 理電路44可以執行被構造成影響一些過程并存儲在包括計算機可讀介質(例如，存儲裝置 (例如個人計算機的隨機存取存儲器(RAM))或一個或多個大容量存儲裝置(例如，內置硬 盤驅動器或外置硬盤驅動器、固態儲存裝置、CD-ROM、DVD、或其它儲存裝置)的產品中或由 所述產品提供的各種操作系統指令以及軟件程序。另外，數據處理電路44可以處理作為各 種程序或軟件程序的輸入的包括數據40的數據。與本技術相關聯的這種數據可以儲存在數據處理系統14的存儲器或大容量存儲 裝置中或者由所述存儲器或大容量存儲裝置提供。可選地，這種數據可以經由一個或多個 輸入裝置提供給數據處理系統14的數據處理電路44。在一個實施例中，數據獲取電路42 可以表示一種這樣的輸入裝置；然而，輸入裝置還可以包括諸如鍵盤、鼠標、或類似裝置的 手動輸入裝置。另外，輸入裝置可以包括諸如有線網卡或無線網卡的網絡裝置、無線網絡適 配器、或被構造成有助于通過任何適當的通信網絡(例如，局域網或因特網)與其它裝置進 行通信的各種端口或裝置中的任一個。通過這種網絡裝置，數據處理系統14可以與其它網 絡電子系統進行交換數據和通信，而不管靠近該系統或遠離該系統。網絡可以包括有助于 通信的各種部件。網絡可以包括開關、路由器、服務器或其它計算機、網絡適配器、通信電纜等。井下工具12可以通過例如遙測系統通信下行鏈路或通信電纜將數據40發送到數 據處理系統14的數據獲取電路42。在接收數據40之后，數據獲取電路42可以將數據40 發送到數據處理電路44。根據一個或多個存儲程序，數據處理電路44可以處理數據40以 確定包圍井下工具12的地下地層的一種或多種特性。這種處理可以涉及例如根據絕對非 彈性伽瑪射線能譜產額和/或中子俘獲伽瑪射線能譜產額估算地層元素的絕對產額的一 個或多個技術。之后，數據處理電路44可以輸出指示地層的一種或多種確定的特性的報告 46。報告46可以被存儲在存儲器或可以通過例如電子顯示器和/或打印機的一個或多個 輸出裝置提供給操作者。圖2顯示中子感應伽瑪射線測井操作，該操作包括將井下工具12放置到周圍地下地層50中。在圖2所示的操作48中，井下工具12已經被下入到井眼52中。當中子源 18將中子M輸出到周圍地層50時可以開始測井操作48。如果中子源18發射例如大約 14. IMeV的中子，14. IMeV中子可以通過非彈性散射核轉變56與周圍地層50中的原子核碰 撞，這可以產生非彈性伽瑪射線58，并且可以使中子M爆發而損失能量。當中子M損失能 量以變成超熱中子和熱中子時，該中子可以在可以產生中子俘獲伽瑪射線62的中子俘獲 核轉變60中被地層50核子吸收。如果中子源18僅發射不足以產生非彈性散射核轉變的 能量的中子M，則基本上僅可以發生中子俘獲核轉變60。可以由伽瑪射線探測器沈和/或觀檢測非彈性伽瑪射線58和/或中子俘獲伽 瑪射線62。如以上簡短地所述，伽瑪射線58和62的能譜可以表征所述伽瑪射線由其獲得 的元素。因此，可以對伽瑪射線58和/或62的能譜進行分析以確定元素產額。同時，中子源18附近的中子監測器20可以測量中子源18的絕對中子輸出。如以 下進一步所述，檢測到的伽瑪射線58和/或62能譜與中子源18的絕對中子輸出之間的關 系可以指示絕對元素產額。然而，由于地層50和井眼52的環境影響，可能會出現多種復雜 情況。例如，伽瑪射線探測器沈和/或觀可能基本上僅能夠檢測在地層50的鄰近各個伽 瑪射線探測器26或觀的一定區域中產生的非彈性伽瑪射線58和/或中子俘獲伽瑪射線 62。總中子M通量的一部分(fraction，或分數)可能從此區域逃逸，并且這部分中子的分 數可能取決于各種環境因素。當較少的中子M抵達地層50中伽瑪射線探測器沈和/或 28敏感的區域時，可以產生較少的可檢測到的伽瑪射線58和/或62。慢化長度是可能會 促進這種影響的一個因素。類似地，因為中子源18和伽瑪射線探測器沈和/或觀沒有定位于同一位置處， 因此可能需要對于在地層50中伽瑪射線探測器沈和/或觀敏感的區域中的中子通量的 變化的幾何效應對由一個或多個中子探測器21測量的中子計數率進行校正。來自其它測 井儀和/或模擬的另外的測量值可以用于估算損失的中子M的分數，以及伽瑪射線探測器 沈和/或觀的有效立體角的變化。多個因素可能會促進這種影響，如以下所述，可以使用 各種參數說明所述因素中的多個。可能發生的另一個復雜情況可能是對中子俘獲伽瑪射線62的測量。具體地，抵達 地層50的可由伽瑪射線探測器沈和/或觀檢測到體積的熱中子的數量可能不與高能量 (例如，14. IMeV)中子的絕對中子輸出成正比。相反，熱中子通量可能取決于在俘獲之前通 過地層50的熱中子的中子遷移和壽命。因此，來自其它測井儀和/或模擬的另外的測量值 可以用于估算抵達地層50的可由伽瑪射線探測器沈和/或觀檢測到體積的熱中子的分 數。在這種計算中的一個因子可是地層50的Σ測量值，該測量值表示地層50的宏觀熱中 子俘獲截面。伽瑪射線58和/或62的衰減可能還受地層50的環境的影響。因為這種伽瑪射 線衰減可受到地層50的地層密度的影響，因此這種測量值可以用于說明這些影響。最后， 井眼52的存在還可能使由伽瑪射線探測器沈和/或觀獲得的伽瑪射線58和/或62的 測量值變得復雜。可以使用井眼52參數和/或模擬的另外的測量值說明井眼52的環境影 響，所述另外的測量值可以包括井眼52的直徑和/或井眼52的Σ測量值或估算值。如果井下工具12包括鄰近伽瑪射線探測器沈和/或觀的中子探測器21，則這 種中子探測器21可以用于測量與地層50和/或井眼52中可由伽瑪射線探測器沈和/或觀檢測到的區域相關聯的熱中子通量和/或超熱中子通量。這些測量值可以顯示一定地層 50的環境特征，可以使用如下所述的技術對所述環境特征進行校正。圖3和圖4表示用于由檢測到的伽瑪射線能譜確定絕對元素產額的方法的各種實 施例。圖3和圖4中所示的技術表示可以涉及使用井下工具12和/或數據處理系統14的 技術。首先參照圖3，流程圖64以步驟66開始，此時將井下工具12下入到地層50中且井 下工具12的中子源18將中子M發射到周圍地層50中。在步驟68中(該步驟可以與步 驟66同時發生)，可以使用中子源18附近的中子監測器20測量中子源18的絕對中子輸 出。另外或者可選地，可以隨后根據中子源18校準和放射性衰變模型估算中子源18的絕 對中子輸出。在步驟70中，伽瑪射線探測器沈和/或觀可以測量非彈性伽瑪射線58和/ 或中子俘獲伽瑪射線62的能譜，當中子M與地層50相互作用時，可以產生所述非彈性伽 瑪射線和/或中子俘獲伽瑪射線。步驟71-76可以大致涉及處理步驟，該處理步驟可以在嵌入在井下工具12和/或 數據處理系統14中的處理器中發生。在步驟71中，可以將測量的伽瑪射線能譜分為元素 貢獻、或相對元素產額。在步驟72中，可以相對于中子源18的中子輸出對這些來自可歸因 于所關心的能譜區域的伽瑪射線的相對元素產額進行歸一化，這可以產生地層50的未被 校正的絕對元素產額。在步驟74中，可以考慮各種因素以對地層50和/或井眼52的可能 會影響測量到的伽瑪射線58和/或62能譜的環境影響進行校正。在步驟76中，根據以上 關系，如以下參照公式(1)，可以確定地層50的一個或多個絕對元素濃度。可以以任何順序 完成這些步驟，并且可以通過計算例如以下關系開始Ai = YdiTotCI^F (參數-1，參數-2，....VnCR (1)在以上的公式(1)中，Ai表示每一種元素i的絕對產額。1表示相對元素產額，或 歸因于元素i的測量到的伽瑪射線能譜的分數。TotCR表示在能譜分析中使用以得到相對 產額的能譜的區域內的總計數率。nCR表示確定的中子討輸出，所述確定的中子M輸出通 過由中子監測器20得到的絕對中子計數測量值和/或通過由校準或放射性衰變模型得到 的估算值獲得。F表示說明井眼52和/或地層50參數的環境校正因子。如上所述，其中， 這種環境校正可以說明中子遷移和伽瑪射線衰減。以下更加詳細地說明這些環境校正和參 數。在圖4中，流程圖78示出了用于確定地層50和井眼52中的元素濃度的部分絕對 產額的方法的實施例。流程圖78以步驟80開始，此時將井下工具12下入到地層50中并 且井下工具12的中子源18將中子發射到周圍地層50中。在步驟82中(該步驟可以與步 驟80同時發生)，可以使用中子源18附近的中子監測器20測量中子源18的絕對中子輸 出。另外或者可選地，可以隨后根據中子源校準或放射性衰變模型估算中子源18的絕對中 子輸出。在步驟84中，伽瑪射線探測器沈和/或觀可以測量非彈性伽瑪射線58和/或 和中子俘獲伽瑪射線62的能譜，當中子M與地層50相互作用時可以產生所述非彈性伽瑪 射線58和/或和中子俘獲伽瑪射線62。步驟85-92可以大致涉及處理步驟，該處理步驟可以在嵌入在井下工具12和/或 數據處理系統14中的處理器中發生。在步驟85中，可以將測量的伽瑪射線能譜分為元素 貢獻、或相對元素產額。在步驟86中，可以相對于中子源18的中子輸出對這些來自可歸因 于所關心的能譜區域的伽瑪射線的相對元素產額進行歸一化，這可以產生地層50的未被校正的絕對元素產額。在步驟88中，可以區分可歸因于地層50的相對產額和可歸因于井 眼52的相對產額，并且在步驟90中，可以考慮各種因素以對地層50和/或井眼52的可能 會影響測量到的伽瑪射線58和/或62能譜的環境影響進行校正。在步驟92中，如以下參 照公式O)，可以確定可歸因于地層50的部分絕對環境產額和可歸因于井眼52的部分絕對 環境產額。具體地，對于同時存在于地層50和井眼52中的元素來說，可以認為測量的絕對產 額Ai是地層50中的部分絕對產額AFi和井眼52中的部分絕對產額ABHi的總和。在這種條 件下，可以在以下兩種可能性之間進行區分在由地層50產生的伽瑪射線58和/或62能 譜的一部分與由井眼52產生的伽瑪射線58和/或62能譜的一部分之間具有顯著的能譜 差；沒有可使用的可檢測到的差異。如果地層50和井眼52之間的差異確實存在，則可以使 用該差異將絕對產額Ai分成地層50產額分量Af,i和井眼52產額分量Abh,it)實際實施方案 可以單獨使用兩種標準中的任一種，或者可以使用地層50標準和地層50與井眼52之間的 差異標準。在這種情況下，還可以對地層和井眼截面單獨分解校正因子F。可以以任何順序 完成步驟85-92，并且可以通過計算例如以下關系開始步驟85-92 Ai =Af, ^Abhj1= (YfJFf (參數-1，參數-2，....) +YBH, ^Fbh (參數-1，參數 _2，. . . .)) *TotCR/nCR(2)在以上的公式O)中，Ai表示每一種元素i的絕對產額，而Af, i和Abh, 別表示 元素i在地層50和井眼52中的部分絕對產額。YF,i和YBH,i分別表示地層50或井眼52的 相對元素產額，或可歸因于地層50或井眼52的元素i的測量到的伽瑪射線能譜的分數。 TotCR表示在譜分析中使用以提取相對產額的的能譜的區域內的總計數率。nCR表示確定 的中子討輸出，所述確定的中子M輸出通過由中子監測器20得到的絕對中子計數測量值 和/或通過由校準或放射性衰變模型得到的估算值獲得。Ff和Fbh分別表示說明井眼52和 地層50參數的環境校正因子。對于由圖3和圖4以及公式⑴和(2)所述的方法的上述兩個實施例中，環境校 正因子(一個或多個)F可以是相當復雜的函數。環境校正因子(一個或多個)F可以被 因式分解，并且可以通過一系列蒙特卡洛計算確定與大多數參數的相關性。環境校正因子 (一個或多個)F還可以包括由最終井下工具12硬件的校準確定的比例因子。另外或者可 選地，可以由來自以上由公式(1)或( 所述的閉合歸一化的結果的自動一致性分析確定 比例因子。以下提供比例因子的示例。環境校正因子(一個或多個)F采用的參數(例如，參數-1等)可以是例如由井下 工具12的被設計成用于此目的的其它部分或通過其它測井儀測量的任意普通物理參數。 以示例的方式，其中，這種普通物理參數可以包括孔隙度測量值或估計值、慢化時間測量值 或估計值、密度測量值或估計值、地層或井眼熱中子俘獲截面測量值或估計值等。可以由通 常沒有被測井儀報告的不同組的物理參數獲得一個或多個其它參數，其可以不具有明確的 物理解釋。例如，其中，這種其它參數可以包括鄰近伽瑪射線探測器沈和/或28的局部中 子通量估計值、鄰近伽瑪射線探測器沈和/或觀的局部中子能量分布估計值、原始中子監 測器20的計數率、原始伽瑪射線探測器沈和/或觀的計數率等。這些其它參數可以涉及 使用被定位成與靠近中子源18相比更靠近伽瑪射線探測器沈和/或28的一個或多個中
13子探測器21的測量值。應用到中子俘獲伽瑪射線62產額的因子F中的一個或多個可以包括與伽瑪射線 探測器沈和/或觀附近的熱中子通量的相關性。這種因子F的一種實施可以包括伽瑪射 線探測器沈和/或觀附近的熱中子通量與測量的中子M通量之間的分數，其由一個或多 個中子探測器21測量和/或根據其它地層50測量值進行估算。應用到非彈性伽瑪射線58 產額的因子F中的一個或多個可以包括與伽瑪射線探測器沈和/或觀附近的超熱中子通 量的相關性。可以通過遠離中子源18附近的中子監測器的一個或多個中子監測器20測量 或估算熱中子通量和/或超熱中子通量，或者可以根據其它地層50測量值估算所述熱中子 通量和/或超熱中子通量。因子F中的一個或多個可以包括與伽瑪射線探測器沈和/或28附近的伽瑪射線 衰減的相關性。因子F中的一個或多個可以包括對測井儀殼體16中的伽瑪射線衰減的變 化的校正，該變化可能是由于環境變化和/或磨損而引起的。因子F中的一個或多個可以 包括對由例如中子俘獲核轉變60產生的井下工具12背景(kickgroimd)進行校正，其中該 中子俘獲核轉變60可發生在構成井下工具12的材料中。因子F中的一個或多個可以包括 對伽瑪射線探測器沈和/或觀附近的元素的有效原子序數的估算值，其通過其它井下測 量值或使用各種其它地層50模型技術確定。校正因子F的公式的一個示例由公式(3)被描述如下。公式(3)中所述的示例性 校正因子F可以具有與總地層中子俘獲截面(Σ F)、中子慢化長度(Ls)、體積密度(Pb)、井 內流體中子俘獲截面(Σ Β)、和井徑(Db)的相關性，并且可以由以下關系表示F = ( Σ F+gi) *exp (Ls/g2) *exp ( P b/g3) *exp (DB/g4)(3)其中gl和g2取決于Db，g3取決于Ls,而g4取決于Σ β。圖5示出了用于獲得地層50的元素濃度的流程圖96。流程圖96的步驟基本上可 以涉及處理步驟，該處理步驟可以在嵌入在井下工具12和/或數據處理系統14中的處理 器中發生。具體地，第一步驟96可以涉及獲得元素的絕對產額或元素的部分產額，所述元 素的絕對產額或部分產額可以根據圖3的流程圖64或圖4的流程圖78確定。在步驟98 中，可以說明正在評價的元素的專門特征，并且可以將該特征應用到元素的絕對產額。可以 利用基于元素的靈敏因子說明這些特征，基于元素的靈敏因子可以例如考慮截面、伽瑪射 線多樣性、伽瑪射線探測器沈和/或觀響應、和/或原子量。在步驟100中，可以通過應 用適當的比例因子說明元素、環境、和/或測井儀的各種物理性質。在步驟102中，根據上 述條件，可以獲得地層50中的元素的部分密度。如以上所述，步驟96-102可以涉及處理步驟，所述處理步驟可以在嵌入在井下工 具和/或數據處理系統14中的處理器中發生。具體地，可以通過計算例如以下公式(4)執 行步驟96-102。對于給定元素i的部分密度可以描述如下ρ i = A1ZS1^f(4)其中Si是其中說明截面、伽瑪射線多樣性、伽瑪射線探測器沈和/或28響應、和 /或原子量的基于元素的靈敏度，而f是比例因子。以示例的方式，比例因子f可以是由基本原理計算確定的常數，其可以由特定元 素的物理常數(例如，質量)和/或環境的其它物理信息(例如，體積密度)獲得。另外 或者可選地，比例因子f可以由對在一定預定條件或已知條件下的測量值的校準值得出，或可以包括來自對在一定預定條件或已知條件下的測量值的校準值的分數。在一個實施例 中，因子f可以是地層50深度的常數。為了允許進行輔助調節以補償沒有在計算絕對產額Ai時進行說明的二次影響，如 上所述，比例因子f可以是函數，而不是常數。可以通過采用作為函數的比例因子f進行說 明的影響可以包括例如類似于伽瑪射線探測器沈和/或觀偏移和/或分辨率下降的其余 儀器影響。另外或者可選地，這種影響還可以包括來自測量的原始數據的在計算絕對產額 Ai時之前還沒有進行說明的環境影響。以示例的方式，由溫度和/或壓力產生并且在公式 (1)或O)的因子f中還沒有說明的環境影響可以通過采用對這種影響進行說明的比例因 子函數f來進行說明。可以使用各種技術驗證地層50的被確定的部分元素密度。在一個示例中，如由以 下關系所述，與地層50相關的所有可測量的部分密度的總和Σ JpfJ可以小于或等于地 層50的體積密度 P b, eff ·Σ i(pFji) ^ Pbjeff(5)通常，因為不是可以使用這里所述的技術測量地層50的所有元素，因此所有可測 量的部分密度的總和Σ JpfJ將在大多數情況下小于地層50的體積密度Pb,rff。在由圖6的流程圖104所示的另一個示例中，可以使用涉及相對產額的技術檢查 根據絕對產額Ai確定的元素濃度結果的一致性。具體地，在第一步驟106中，如上所述，可 以根據涉及絕對產額的技術確定地層50的元素濃度。在第二步驟108中，如以下所述參照 公式(6)和(7)、和/或公式(8)，可以根據涉及具有相對產額的元素閉合或氧化物閉合的 技術確定地層50的元素濃度。在步驟110中，可以驗證元素濃度。在一些實施例中，驗證 步驟110可以涉及合并根據相對產額確定的元素濃度與根據絕對產額確定的元素濃度以 獲得結果的加權平均數，其中權重可以是常數或者根據置信度估計值來調節。這種用于氧化物閉合的技術可以用作元素濃度的第二估計以檢查如上所述根據 絕對產額Ai計算的部分密度Pitl氧化物閉合過程可以利用中子俘獲能譜學數據和鋁(Al) 和鉀(K)的單獨測量值。該模型可以假設由中子俘獲能譜學測量檢測到的地層50元素可 以以定量的方式與所述元素的氧化物或地層中的最常見的形式有關，并且所有氧化物總和 為一。該模型采取以下關系的形式XKWK+XA1ffAi+F{ Σ Xi(YiZSi)I = 1(6)其中\是將元素轉換成該元素的氧化物或最常見結合體(例如，鈣通常被轉化成 CaCO3而不是CaO)的因子，W是元素在地層中的重量分數，Y是由俘獲能譜獲得的元素的相 對產額，而S是基于特定元素的俘獲截面和測井儀對該元素的特征輻射的靈敏度的預先確 定的測量靈敏度。在對F進行求解之后，每一個元素的重量分數可以被計算為Wi = FxYiZSi(7)另外或者可選地，上述方法可以用于由非彈性伽瑪射線58產生的能譜。使用上述 方法，可以使用非彈性能譜產額測量多個元素。可以使用相對于中子源18輸出的歸一化值 將這些產額描述為絕對元素產額。類似于Al、Mg、Ca、Si、S的元素可以存在于非彈性伽瑪 射線58能譜和中子俘獲伽瑪射線62能譜中。使用經環境校正的絕對產額可以將來自非彈 性伽瑪射線58能譜的結果和中子俘獲伽瑪射線62能譜的結果結合或使用非彈性能譜作為 獨立解。
以類似于對由于中子俘獲伽瑪射線62得到的絕對能譜產額和相對能譜產額的比 較的方式，可以比較由于非彈性伽瑪射線58得到的非彈性絕對產額和非彈性相對產額，并 且在適當的情況下，在加權平均產額中結合所述非彈性絕對產額和非彈性相對產額。另外， 對于存在于非彈性能譜和俘獲能譜中的元素來說，由于非彈性伽瑪射線58得到的絕對非 彈性產額和由于中子俘獲伽瑪射線62得到的中子俘獲產額可以用于提高上述答案的準確 度和精確性。當非彈性產額可以不受地層50或井眼52的熱中子俘獲截面的影響時，對非 彈性產額的環境校正還可以更加簡單。這使得在高井眼52礦化度和相關聯的高中子俘獲 截面的情況下，非彈性產額尤其有價值。另外或者可選地，可以采用第二閉合模型驗證根據絕對產額Ai計算的部 分密度Pi,這尤其可以在僅可獲得中子俘獲能譜學數據的情況中使用，美國專利 No. 5, 471, 057"METHOD AND APPARATUS for DETERMINING ELEMENTAL CONCENTRATIONS FOR GAMMA RAY SPECTROSCOPY TOOLS”中說明了這種情況，該專利通過引用在此全文并入。除 了該模型消除鋁(Al)和鉀(K)項之外，此模型可以與由以上公式(6)和(7)所述的模型相 同。另外，如由以下關系所述，此模型修改關聯因子OCi)以說明沒有鋁(Al)和鉀(K)測量 值F{ Σ Xi(YiZSi)I = 1(8)在利用涉及絕對產額的技術獲得地層的元素濃度并且使用氧化物閉合技術獲得 地層的元素濃度之后，可以相對于彼此檢查這兩種計算。之后，根據絕對產額確定的元素濃 度可以與根據相對產額和氧化物閉合確定的元素濃度合并以獲得結果的加權平均數。此加 權平均數可以具有恒定權數或置信度估算調節權數。基于相對產額和閉合的元素濃度與基 于絕對產額的元素濃度的比較還可以用于通過使兩個得到的濃度在已知或簡單區域中或 在總測量區域的大部分區域上一致來確定比例因子f。雖然這里已經僅示出和說明了一些特征，但是本領域的技術人員將會進行多種修 改和改變。因此，要理解的是所附權利要求旨在涵蓋落入本公開的實際精神內的所有這類 修改和改變。
權利要求
1.一種系統，包括 井下工具，包括中子源，所述中子源被構造成將中子發射到地下地層中以產生非彈性散射核轉變和中 子俘獲核轉變；中子監測器，所述中子監測器被構造成檢測所發射的所述中子的計數率；和 伽瑪射線探測器，所述伽瑪射線探測器被構造成獲得伽瑪射線能譜，所述伽瑪射線能 譜至少部分地由非彈性伽瑪射線和中子俘獲伽瑪射線得到，所述非彈性伽瑪射線由所述非 彈性散射核轉變產生，所述中子俘獲伽瑪射線由所述中子俘獲核轉變產生；和 數據處理電路，所述數據處理電路被構造成 由所述伽瑪射線能譜確定相對元素產額；和至少部分地根據所述相對元素產額相對于所發射的所述中子的計數率的歸一化值確 定絕對元素產額。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據環 境校正因子確定所述絕對元素產額，所述環境校正因子至少部分地說明對所發射的所述中 子、所述非彈性伽瑪射線、所述中子俘獲伽瑪射線、或發射的所述中子、所述非彈性伽瑪射 線和所述中子俘獲伽瑪射線的任意組合的環境影響。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據環 境校正因子確定所述絕對元素產額，所述環境校正因子至少部分地說明所發射的所述中子中的、能夠從所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域逃逸 的分數；對所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的中子通量的變化的幾何效應；對所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域的立體角的幾何效應； 所述非彈性伽瑪射線和所述中子俘獲伽瑪射線在所述地下地層中的衰減； 所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的熱中子通量； 所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的超熱中子通量；或 以上所述的任意組合。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據環 境校正因子確定所述絕對元素產額，所述環境校正因子是與所述地下地層的一個或多個物 理特征有關的一個或多個參數的函數。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據環 境校正因子確定所述絕對元素產額，所述環境校正因子是與所述地下地層的一個或多個物 理特征有關的一個或多個參數的函數，其中，所述一個或多個參數包括所述地下地層的孔隙度； 所述地下地層的慢化時間； 所述地下地層的密度； 所述地下地層的熱中子俘獲截面； 所述地下地層中的井眼的熱中子俘獲截面；在所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域處的中子通量的估計值；在所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域處的中子能量分布的估計值；來自所述中子監測器的原始計數率；來自所述伽瑪射線探測器的原始伽瑪射線計數率；或以上所述參數的任意組合。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據所 述相對元素產額乘以所述伽瑪射線能譜中用于獲取所述相對產額的區域內的總伽瑪射線 計數除以所發射的所述中子的計數率的商的乘積確定所述絕對元素產額。
7.一種方法，包括以下步驟使用中子源將已知近似數量的中子發射到地下地層中以產生非彈性散射核轉變和中 子俘獲核轉變；使用伽瑪射線探測器測量來自非彈性伽瑪射線的伽瑪射線能譜和來自中子俘獲伽瑪 射線的伽瑪射線能譜，所述非彈性伽瑪射線由所述非彈性散射核轉變產生，所述中子俘獲 伽瑪射線由所述中子俘獲核轉變產生；使用處理器由所述伽瑪射線能譜確定元素的相對產額；以及使用所述處理器至少部分地根據所述元素相對產額相對于所發射的中子的已知近似 數量的歸一化值確定所述元素的絕對產額。
8.根據權利要求7所述的所述，包括以下步驟使用所述處理器至少部分地根據所述絕對產額和基于元素的靈敏度確定所述地下地 層中的元素的濃度。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，至少部分地根據所述基于元素的靈敏度確定所 述元素的濃度，其中，所述基于元素的靈敏度被構造成說明所述元素的截面；與所述元素相關聯的伽瑪射線多樣性； 所述伽瑪射線探測器對由所述元素得到的伽瑪射線的響應； 所述元素的原子量；或 以上所述的任意組合。
10.根據權利要求7所述的方法，包括以下步驟使用所述處理器至少部分地根據所述絕對產額和比例因子確定所述地下地層中的元 素的濃度。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，至少部分地根據所述比例因子確定元素的所 述濃度，其中，所述比例因子包括由所述元素的物理常數和所述地下地層的物理特征得到的常數； 由包括所述中子源和所述伽瑪射線探測器的井下工具的校準得到的常數； 包括來自對所述井下工具相對于已知條件下的測量值的校準值的分數的常數，所述井 下工具包括所述中子源和所述伽瑪射線探測器； 基于深度的常數；或 以上所述常數的任意組合。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，至少部分地根據所述比例因子確定所述元素 的濃度，其中，所述比例因子是被構造成補償環境影響或與伽瑪射線探測器性能下降有關的儀器影響、或所述環境影響和所述儀器影響的組合的函數。
13.根據權利要求7所述的所述，包括以下步驟使用所述處理器至少部分地根據所述絕對產額、基于元素的靈敏度和比例因子確定所 述地下地層中的元素的濃度。
14.根據權利要求7所述的方法，包括以下步驟使用所述處理器至少部分地根據所述元素的絕對產額確定所述地下地層中的元素的 濃度，以及使用所述處理器至少部分地根據所述元素的相對產額的閉合歸一化值確定所述地下 地層中的元素的濃度。
15.根據權利要求14所述的方法，包括以下步驟使用所述處理器確定至少部分地根據所述元素的絕對產額確定的所述地下地層中的 元素的濃度和至少部分地根據所述元素的相對產額的閉合歸一化值確定的所述地下地層 中的元素的濃度的加權平均，其中，所述加權平均的權重是常數或能夠根據置信度估計值 來調節。
16.根據權利要求14所述的方法，包括以下步驟使用所述處理器確定比例因子，所述比例因子是至少部分地根據所述元素的絕對產額 確定的所述地下地層中的元素的濃度與至少部分地根據所述元素的相對產額的閉合歸一 化值確定的所述地下地層中的元素的濃度之間的比較。
17.一種系統，包括井下工具，所述井下工具被構造成將已知近似數量的中子發射到地下地層，并且檢測 來自伽瑪射線的伽瑪射線能譜，當所發射的所述中子與所述地下地層相互作用時產生所述 伽瑪射線；和數據處理電路，所述數據處理電路被構造成由所述伽瑪射線能譜確定元素的相對產 額、并且至少部分地根據所述元素的相對產額相對于所發射的所述中子的已知近似數量的 歸一化值和環境校正因子確定元素的絕對產額，所述環境校正因子至少部分地說明對發射 的所述中子、所述非彈性伽瑪射線、所述中子俘獲伽瑪射線、或發射的所述中子、所述非彈 性伽瑪射線和所述中子俘獲伽瑪射線的任意組合的環境影響。
18.根據權利要求17所述的系統，其中，所述井下工具被構造成使用校準的放射源發 射已知近似數量的中子，所述校準放射源在可預測的速率下發射中子。
19.根據權利要求17所述的系統，其中，所述井下工具被構造成使用電子中子發生器 發射已知近似數量的中子，所述電子中子發生器的中子輸出由中子監測器監測。
20.根據權利要求17所述的系統，其中，所述井下工具被構造成以足以產生非彈性散 射核轉變的能量將已知近似數量的中子發射到所述地下地層中。
21.根據權利要求17所述的系統，其中，所述井下工具被構造成以足以產生中子俘獲 核轉變而不產生非彈性散射核轉變的能量將已知近似數量的中子發射到所述地下地層中。
22.根據權利要求17所述的系統，其中，所述井下工具被構造成檢測抵達所述地下地 層中所述井下工具敏感的區域的中子的數量。
23.根據權利要求17所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據 所述環境校正因子確定所述元素的絕對產額，其中，所述環境校正因子是因式分解函數。
24.根據權利要求17所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據 所述環境校正因子確定所述元素的絕對產額，其中，所述環境校正因子是基于與所述地下 地層的一個或多個物理特征有關的一個或多個參數的函數，其中，所述數據處理電路被構 造成通過一系列蒙特卡洛計算確定所述環境校正因子和所述一個或多個參數的相關性。
25.根據權利要求17所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據 所述環境校正因子確定所述元素的絕對產額，其中，所述環境校正因子包括基于所述井下 工具的校準的比例因子。
26.根據權利要求17所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據 所述環境校正因子確定所述元素的絕對產額，其中，所述環境校正因子包括由所述地下地 層中確定的所述元素的絕對產額與所述元素的絕對濃度的確定值之間的關系確定的比例 因子，其中，所述絕對濃度的確定值不是基于所述元素的相對產額相對于發射的中子的已 知近似數量的歸一化值。
27.一種方法，包括以下步驟使用井下工具中的中子源將已知近似數量的中子從井眼發射到地下地層中以產生非 彈性散射核轉變和中子俘獲核轉變；使用所述井下工具中的伽瑪射線探測器測量來自非彈性伽瑪射線的伽瑪射線能譜和 來自中子俘獲伽瑪射線的伽瑪射線能譜，所述非彈性伽瑪射線由所述非彈性散射核轉變產 生，所述中子俘獲伽瑪射線由所述中子俘獲核轉變產生；使用處理器由所述伽瑪射線能譜確定所述地下地層中的元素的部分相對產額；使用處理器由所述伽瑪射線能譜確定所述井眼中的元素的部分相對產額；以及使用所述處理器至少部分地根據所述地下地層中的元素的部分相對產額相對于所發 射的已知近似數量的中子的歸一化值確定所述地下地層中的元素的部分絕對產額，并且使 用所述處理器至少部分地根據在所述井眼中的元素的部分相對產額相對于所發射的已知 近似數量的中子的歸一化值確定所述井眼中的元素的部分絕對產額。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，根據所述地下地層中的元素的能譜標準確定 所述地下地層中的元素的部分相對產額，并且其中根據所述井眼中的元素的能譜標準確定 所述井眼中的元素的部分相對產額。
29.根據權利要求27所述的方法，其中，根據所述地下地層中的元素的能譜標準確定 所述地下地層中元素的部分相對產額，并且其中根據所述地下地層中的元素的能譜標準與 所述井眼中的元素的能譜標準之間的差異確定所述井眼中的元素的部分相對產額。.
30.一種系統，包括井下工具，所述井下工具包括中子源，所述中子源被構造成將中子發射到地下地層中；中子監測器，所述中子監測器被構造成確定由所述中子源發射的中子的中子計數率；伽瑪射線探測器，所述伽瑪射線探測器被構造成測量伽瑪射線的伽瑪射線能譜和伽瑪 射線計數率，所述伽瑪射線由所發射的所述中子與所述地下地層的相互作用產生；和數據處理電路，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據所述伽瑪射線能譜確定元 素的相對產額，和至少部分地根據所述元素的相對產額乘以所述伽瑪射線計數率除以所述 中子計數率的商的乘積確定所述元素的絕對產額。
31.根據權利要求30所述的系統，其中，所述井下工具包括比所述中子源更靠近所述 伽瑪射線探測器的中子探測器。
32.根據權利要求30所述的系統，其中，所述數據處理電路被構造成至少部分地根據 環境校正因子確定所述元素的絕對產額，其中，所述環境校正因子取決于所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的熱中子通量； 包括所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域的熱中子通量相對于所述中子 計數率的分數；取決于所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的超熱中子通量； 取決于所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的伽瑪衰減； 包括對所述井下工具的殼體中的伽瑪射線衰減的變化的校正； 包括所述地下地層中所述伽瑪射線探測器敏感的區域中的元素的原子序數的估計值；或以上所述的任意組合。
全文摘要
本發明公開了一種用于由中子感應伽瑪射線能譜學估算地下地層的絕對元素濃度的系統和方法。在一個示例中，用于估算地下地層中的元素的絕對產額的系統(10)可以包括井下工具(12)和數據處理電路(14)。井下工具可以包括中子源(18)，用于將中子發射到地下地層中；中子監測器(20)，用于檢測所發射的中子的計數率；和伽瑪射線探測器(26，28)，用于獲得伽瑪射線能譜，所述伽瑪射線能譜至少部分地由非彈性伽瑪射線和中子俘獲伽瑪射線得到，所述非彈性伽瑪射線由所述非彈性散射核轉變產生，所述中子俘獲伽瑪射線由所述中子俘獲核轉變產生。數據處理電路可以被構造成由所述伽瑪射線能譜確定相對元素產額；和至少部分地根據相對元素產額相對于所發射的中子的計數率的歸一化值確定絕對元素產額。
文檔編號G01V5/10GK102084271SQ200980125733
公開日2011年6月1日 申請日期2009年6月29日 優先權日2008年7月2日
發明者克里斯蒂安·斯特勒, 吉姆·A·格勞, 馬庫斯·伯海德 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司