专利名称：由核谱学确定绝对元素浓度的制作方法
技术领域：
本公开总体涉及中子感应伽玛射线能谱学，并且更具体地涉及由中子感应伽玛射 线能谱学确定绝对元素浓度的技术。
背景技术：
使用核井下工具，可以使用各种技术确定地下地层的元素浓度。可以使用来自散 射在地层中的伽玛射线的密度和光电效应(PEF)测量值的信息间接确定地层岩性。可以通 过检测中子感应伽玛射线直接检测地层元素。当中子源将中子发射到地层中时，可以产生 中子感应伽玛射线，所述中子可以通过非弹性散射、高能量核反应、或中子俘获与地层元素 相互作用。在非弹性散射核转变(event)( “非弹性伽玛射线”)或中子俘获核转变(“中子 俘获伽玛射线”)中发射的伽玛射线可以具有特征能量，所述特征能量可以基于各种能谱学 技术识别所发射的伽玛射线的具体同位素。涉及非弹性能谱学解释的技术可以基于可归因 于各种特征能量的非弹性伽玛射线的元素产额的比值。在大多数情况下要注意的是，已经 使用由于碳而检测到的伽玛射线的数量与由于氧而检测到的伽马射线的数量的比值(“C/ 0比”)来估算地层含油饱和度。使用比值的优点在于一些仪器影响(例如，可变中子输出 和多个环境影响)将互相抵消。使用比值的缺点在于通常更加难以解释。对于估算充满水 的井眼中的含油饱和度的简单情况来说，C/0比由于可归因于来自井筒流体和水泥环空的 氧的伽玛射线而可能变得复杂，而可归因于碳的所有伽玛射线将来源于地层。涉及中子俘获能谱学的类似技术可以涉及采集和分析中子伽马射线能量谱。通常 包括在中子俘获能谱中的元素可以包括Si、Ca、i^e、S、Ti、Gd、H、Cl及其它元素，并且有时包 括Al、Na、Mg、Mn、Ni及其它少量或微量元素。然而，使用这种技术确定的元素浓度还可以 仅大致识别地层元素的相对浓度，除非地层元素的绝对浓度已经是已知的或被正确估算。用于估算地层中的绝对元素浓度的一些其它技术可能涉及能谱学测井数据的氧 化物闭合归一化值，或者可能及具有活化和/或天然伽玛射线测量值的补充能谱学测井数 据。然而，闭合归一化值可能取决于对未测量元素的准确缔合(association)，这可能会根 据地层元素的精确组合而变化。另外，闭合归一化值可能取决于使用可能会影响能谱的所 有元素(除了 K和Al)，所述元素中的一些可以不必与其它元素一样被精确确定。活化和/ 或天然伽玛射线测量值的使用还可能具有多种缺点。例如，这种测量值通�？赡苄枰叨� 复杂的测井仪和较长的测量时间。
发明内容
以下说明与原始主张的实施例在保护范围方面相对应的一些方面。应该理解的是 这些方面仅仅为阅读者提供实施例可以采取的一些形式的简要概述，并且这些方面不旨在 限制实施例的保护范围。相反，实施例可以包括以下没有说明的各种方面。本发明的实施例总体涉及一种用于使用中子感应能谱学估算地下地层中的绝对元素浓度的系统和方法。例如，用于估算地下地层中的元素的绝对产额的系统可以包括井 下工具和数据处理电路。井下工具可以包括中子源，用于将中子发射到地下地层中；中子 监测器，用于检测所发射的中子的计数率；和伽玛射线探测器，用于获得伽玛射线能谱，所 述伽玛射线能谱至少部分地由非弹性伽玛射线和中子俘获伽玛射线得到，所述非弹性伽玛 射线由所述非弹性散射核转变产生，所述中子俘获伽玛射线由所述中子俘获核转变产生。 数据处理电路被构造成由所述伽玛射线能谱确定相对元素产额；和至少部分地根据相对 元素产额相对于所发射的中子的计数率的归一化值确定绝对元素产额。
本公开的优点在获悉以下详细说明和参考附图时可以变得清楚可见，其中图1是根据一个实施例的、包括用于根据中子感应伽玛射线的能谱分析测量绝对 元素浓度的井下工具和数据处理电路的系统的示意性方框图；图2是根据一个实施例的、使用图1的井下工具的测井操作的示意性方框图；图3是根据一个实施例的、说明用于根据中子感应伽玛射线测量值确定地层中的 绝对元素产额的方法的实施例的流程图；图4是根据一个实施例的、说明用于根据中子感应伽玛射线测量值确定地层和井 眼中的部分绝对元素产额的方法的实施例的流程图；图5是根据一种实施例的、说明用于根据确定的绝对元素产额确定绝对元素浓度 的实施例的流程图；和图6是根据一个实施例的、说明用于使用氧化物闭合技术和相对产额验证绝对元 素浓度的方法的实施例的流程图。
具体实施例方式一个或多个具体的实施例描述如下。在努力提供这些实施例的简洁说明中，不是 实际实施方案的所有特征都在说明书中被描述。应该认识的是在任意这种实际实施方案的 发展中，如在任何工程或设计项目中，必须进行多个实施方案(具体判定)以实现研发者的 特定目标，例如具有系统相关和商业相关约束的灵活性，所述灵活性在一种实施方案和另 一种实施方案之间不同。此外，应该认识的是这种研发工作可能是复杂并且耗时的，然而对 得益于本公开的普通技术人员来说却是一项设计、制造、和生产的程序化任务。目前公开的主题的实施例总体涉及用于中子感应伽玛射线能谱学的系统和方法。 具体地，目前公开的主题涉及用于确定地下地层的绝对元素浓度的技术。这些技术可以涉 及通过利用中子轰击地下地层而在地层中产生非弹性散射核转变和中子俘获核转变，这可 以发射非弹性伽玛射线和中子俘获伽玛射线。非弹性伽玛射线和中子俘获伽玛射线可以具 有表征从其获得非弹性伽玛射线和中子俘获伽玛射线的元素的能谱。可以监测所发射的中子的数量，或者以其它方式知道所发射的中子的数量，并且 可以测量产生的伽玛射线频谱，并相对于监测到的中子输出对所述产生的伽玛射线频谱标 进行归一化。已经确定的是绝对元素浓度的估计值可以由绝对伽玛射线能谱学元素产额获 得，这可以被称作伽玛射线能谱学产额，所述伽玛射线能谱学产额通过已监测到或已知的 中子输出和各种环境校正值被归一化以说明地层和/或井眼性质。如这里所使用的，术语“绝对产额”不表示相对于已知地层元素执行伽玛射线能谱学测量。相反，根据如下所述的 技术，可不需要其它元素的直接测量来获得经验闭合因子。考虑到上述，图1显示用于确定地下地层的绝对元素浓度的系统10，所述系统包 括井下工具12和数据处理系统14。以示例的方式，井下工具12可以是用于对现有井进行 测井的试井钢丝或电缆测井仪，或者井下工具12可以安装在用于随钻测井(LWD)的底部钻 具组合中。数据处理系统14可以装入到井下工具12中或可以位于远距离处。井下工具12 可以被壳体16包围。井下工具12可以包括被构造成将中子发射到地下地层中的中子源18。仅以示例 的方式，中子源18可以是诸如斯伦贝谢技术公司的Minitron 的电子中子源，该中子源可 以通过d-D和/或d-T反应产生中子脉冲。另外或者可选地，中子源18可以是诸如AmBe 或252Cf的放射源。中子源18的中子输出可以通过使用各种技术而已知。例如，如果中子源18包括 放射源，则中子源18的绝对输出可以通过校准来确定。另外，因为放射源可以遵循已知的 指数衰变率并且可以具有已知的半衰期，因此中子源18的绝对输出可以通过计算作为自 校准开始的时间的函数的中子源18活性的变化来确定。如果中子源18包括电子中子发生器，则中子源18的给定瞬时输出可以取决于控 制中子的生成并因此控制中子源18的中子输出的多个参数。其中，这些参数可以包括在中 子发生器管内供应的离子束流、施加到所述管的加速高压、和离子源的操作。然而，即使所 有这些参数被精密调节，也可能不能确�：愣ㄖ凶邮涑觯蛭捎谥凶臃⑸鞑僮魈匦运� 时间和温度的变化而可能使中子输出发生短期波动。另外，由于发生器管的老化使得更长 期的变化可能会进一步影响中子源18的中子输出。因此，在一些实施例中，中子监测器20可以监测来自中子源18的中子输出。中子 监测器20可以例如是塑料闪烁器和光电倍增器，该塑料闪烁器和光电倍增器可以主要检 测直接来自中子源18的没有被散射的中子，并且可以提供与来自中子源18的中子输出率 成比例的计数率信号。如以下更加详细地所述，中子输出不管是通过中子源18的校准和 /或适当的计算来确定或通过使用中子监测器20来确定，所述中子输出都可以用于确定可 归因于各种地层元素的绝对能谱产额。中子屏蔽件22可以将中子源18与井下工具12中的各种探测器分开。可以包括 诸如铅的元素的类似屏蔽件M防止伽玛射线在井下工具12的各种探测器之间移动。井下 工具12还可以包括一个或多个伽玛射线探测器，并且可以包括三个或更多个伽玛射线探 测器。图1中所示的井下工具12包括两个伽玛射线探测器沈和观。可以改变伽玛射线探 测器沈和/或观在井下工具12中的相对位置。伽玛射线探测器沈和/或28可以容纳在各自的壳体30中。通过产生光，伽玛射 线探测器沈和/或观中的闪烁器晶体32能够通过当伽玛射线散射或被俘获在闪烁器晶 体32中时检测伽玛射线的计数或能谱。闪烁器晶体32可以是含有例如NaI (Tl)、LaCl3^ LaBr3^ BGO, GSO、YAP和/或其它适当材料的无机闪烁探测器。壳体34可以包围闪烁器晶 体32。当伽玛射线被吸收并且由闪烁器晶体32发射的光已经穿过光学窗口 38时，光探测 器36可以检测该光。伽玛射线探测器沈和/或观可以被构造成获得伽玛射线计数和/ 或伽玛射线能谱，并因此可以包括伽玛射线脉冲高度分析器。
一个或多个中子探测器21可以在井下工具12中位于其它位置，并且可以如下所 述用于确定各种环境校正因子。具体地，一个或多个中子探测器21可以是热中子探测器、 超热中子探测器或快中子探测器，该探测器可以允许测量对在伽玛射线探测器26和/或观 附近的热中子通量和/或超热中子通量的相关性。这种热中子通量和/或超热中子通量可 以通过远离中子源18定位的一个或多个中子探测器21进行测量或估算。来自中子监测器20、中子探测器21、和伽玛射线探测器沈和/或28的信号可以 作为数据40被发送到数据处理系统14和/或可以通过井下工具12中的嵌入式处理器被 处理或预先处理。数据处理系统14可以包括诸如个人计算机的通用计算机，该计算机被构 造成运行各种软件，包括执行本技术的所有技术或该技术的一部分的软件。可选地，其中， 数据处理系统14可以包括被构造成根据作为系统的一部分而提供的专用软件和/或硬件 执行本技术的所有技术或该技术的一部分技术的主计算机、分布式计算系统、或专用计算 机或工作站。此外，数据处理系统14可以包括单个处理器或多个处理器以便于执行目前所 公开的功能。通常，数据处理系统14可以包括数据处理电路44，该数据处理电路可以是诸如可 以执行各种程序和处理功能的中央处理单元(CPU)的微控制器或微处理器。例如，数据处 理电路44可以执行被构造成影响一些过程并存储在包括计算机可读介质(例如，存储装置 (例如个人计算机的随机存取存储器(RAM))或一个或多个大容量存储装置(例如，内置硬 盘驱动器或外置硬盘驱动器、固态储存装置、CD-ROM、DVD、或其它储存装置)的产品中或由 所述产品提供的各种操作系统指令以及软件程序。另外，数据处理电路44可以处理作为各 种程序或软件程序的输入的包括数据40的数据。与本技术相关联的这种数据可以储存在数据处理系统14的存储器或大容量存储 装置中或者由所述存储器或大容量存储装置提供。可选地，这种数据可以经由一个或多个 输入装置提供给数据处理系统14的数据处理电路44。在一个实施例中，数据获取电路42 可以表示一种这样的输入装置；然而，输入装置还可以包括诸如键盘、鼠标、或类似装置的 手动输入装置。另外，输入装置可以包括诸如有线网卡或无线网卡的网络装置、无线网络适 配器、或被构造成有助于通过任何适当的通信网络(例如，局域网或因特网)与其它装置进 行通信的各种端口或装置中的任一个。通过这种网络装置，数据处理系统14可以与其它网 络电子系统进行交换数据和通信，而不管靠近该系统或远离该系统。网络可以包括有助于 通信的各种部件。网络可以包括开关、路由器、服务器或其它计算机、网络适配器、通信电缆等。井下工具12可以通过例如遥测系统通信下行链路或通信电缆将数据40发送到数 据处理系统14的数据获取电路42。在接收数据40之后，数据获取电路42可以将数据40 发送到数据处理电路44。根据一个或多个存储程序，数据处理电路44可以处理数据40以 确定包围井下工具12的地下地层的一种或多种特性。这种处理可以涉及例如根据绝对非 弹性伽玛射线能谱产额和/或中子俘获伽玛射线能谱产额估算地层元素的绝对产额的一 个或多个技术。之后，数据处理电路44可以输出指示地层的一种或多种确定的特性的报告 46。报告46可以被存储在存储器或可以通过例如电子显示器和/或打印机的一个或多个 输出装置提供给操作者。图2显示中子感应伽玛射线测井操作，该操作包括将井下工具12放置到周围地下地层50中。在图2所示的操作48中，井下工具12已经被下入到井眼52中。当中子源 18将中子M输出到周围地层50时可以开始测井操作48。如果中子源18发射例如大约 14. IMeV的中子，14. IMeV中子可以通过非弹性散射核转变56与周围地层50中的原子核碰 撞，这可以产生非弹性伽玛射线58，并且可以使中子M爆发而损失能量。当中子M损失能 量以变成超热中子和热中子时，该中子可以在可以产生中子俘获伽玛射线62的中子俘获 核转变60中被地层50核子吸收。如果中子源18仅发射不足以产生非弹性散射核转变的 能量的中子M，则基本上仅可以发生中子俘获核转变60。可以由伽玛射线探测器沈和/或观检测非弹性伽玛射线58和/或中子俘获伽 玛射线62。如以上简短地所述，伽玛射线58和62的能谱可以表征所述伽玛射线由其获得 的元素。因此，可以对伽玛射线58和/或62的能谱进行分析以确定元素产额。同时，中子源18附近的中子监测器20可以测量中子源18的绝对中子输出。如以 下进一步所述，检测到的伽玛射线58和/或62能谱与中子源18的绝对中子输出之间的关 系可以指示绝对元素产额。然而，由于地层50和井眼52的环境影响，可能会出现多种复杂 情况。例如，伽玛射线探测器沈和/或观可能基本上仅能够检测在地层50的邻近各个伽 玛射线探测器26或观的一定区域中产生的非弹性伽玛射线58和/或中子俘获伽玛射线 62。总中子M通量的一部分(fraction，或分数)可能从此区域逃逸，并且这部分中子的分 数可能取决于各种环境因素。当较少的中子M抵达地层50中伽玛射线探测器沈和/或 28敏感的区域时，可以产生较少的可检测到的伽玛射线58和/或62。慢化长度是可能会 促进这种影响的一个因素。类似地，因为中子源18和伽玛射线探测器沈和/或观没有定位于同一位置处， 因此可能需要对于在地层50中伽玛射线探测器沈和/或观敏感的区域中的中子通量的 变化的几何效应对由一个或多个中子探测器21测量的中子计数率进行校正。来自其它测 井仪和/或模拟的另外的测量值可以用于估算损失的中子M的分数，以及伽玛射线探测器 沈和/或观的有效立体角的变化。多个因素可能会促进这种影响，如以下所述，可以使用 各种参数说明所述因素中的多个。可能发生的另一个复杂情况可能是对中子俘获伽玛射线62的测量。具体地，抵达 地层50的可由伽玛射线探测器沈和/或观检测到体积的热中子的数量可能不与高能量 (例如，14. IMeV)中子的绝对中子输出成正比。相反，热中子通量可能取决于在俘获之前通 过地层50的热中子的中子迁移和寿命。因此，来自其它测井仪和/或模拟的另外的测量值 可以用于估算抵达地层50的可由伽玛射线探测器沈和/或观检测到体积的热中子的分 数。在这种计算中的一个因子可是地层50的Σ测量值，该测量值表示地层50的宏观热中 子俘获截面。伽玛射线58和/或62的衰减可能还受地层50的环境的影响。因为这种伽玛射 线衰减可受到地层50的地层密度的影响，因此这种测量值可以用于说明这些影响。最后， 井眼52的存在还可能使由伽玛射线探测器沈和/或观获得的伽玛射线58和/或62的 测量值变得复杂。可以使用井眼52参数和/或模拟的另外的测量值说明井眼52的环境影 响，所述另外的测量值可以包括井眼52的直径和/或井眼52的Σ测量值或估算值。如果井下工具12包括邻近伽玛射线探测器沈和/或观的中子探测器21，则这 种中子探测器21可以用于测量与地层50和/或井眼52中可由伽玛射线探测器沈和/或观检测到的区域相关联的热中子通量和/或超热中子通量。这些测量值可以显示一定地层 50的环境特征，可以使用如下所述的技术对所述环境特征进行校正。图3和图4表示用于由检测到的伽玛射线能谱确定绝对元素产额的方法的各种实 施例。图3和图4中所示的技术表示可以涉及使用井下工具12和/或数据处理系统14的 技术。首先参照图3，流程图64以步骤66开始，此时将井下工具12下入到地层50中且井 下工具12的中子源18将中子M发射到周围地层50中。在步骤68中(该步骤可以与步 骤66同时发生)，可以使用中子源18附近的中子监测器20测量中子源18的绝对中子输 出。另外或者可选地，可以随后根据中子源18校准和放射性衰变模型估算中子源18的绝 对中子输出。在步骤70中，伽玛射线探测器沈和/或观可以测量非弹性伽玛射线58和/ 或中子俘获伽玛射线62的能谱，当中子M与地层50相互作用时，可以产生所述非弹性伽 玛射线和/或中子俘获伽玛射线。步骤71-76可以大致涉及处理步骤，该处理步骤可以在嵌入在井下工具12和/或 数据处理系统14中的处理器中发生。在步骤71中，可以将测量的伽玛射线能谱分为元素 贡献、或相对元素产额。在步骤72中，可以相对于中子源18的中子输出对这些来自可归因 于所关心的能谱区域的伽玛射线的相对元素产额进行归一化，这可以产生地层50的未被 校正的绝对元素产额。在步骤74中，可以考虑各种因素以对地层50和/或井眼52的可能 会影响测量到的伽玛射线58和/或62能谱的环境影响进行校正。在步骤76中，根据以上 关系，如以下参照公式(1)，可以确定地层50的一个或多个绝对元素浓度。可以以任何顺序 完成这些步骤，并且可以通过计算例如以下关系开始Ai = YdiTotCI^F (参数-1，参数-2，....VnCR (1)在以上的公式(1)中，Ai表示每一种元素i的绝对产额。1表示相对元素产额，或 归因于元素i的测量到的伽玛射线能谱的分数。TotCR表示在能谱分析中使用以得到相对 产额的能谱的区域内的总计数率。nCR表示确定的中子讨输出，所述确定的中子M输出通 过由中子监测器20得到的绝对中子计数测量值和/或通过由校准或放射性衰变模型得到 的估算值获得。F表示说明井眼52和/或地层50参数的环境校正因子。如上所述，其中， 这种环境校正可以说明中子迁移和伽玛射线衰减。以下更加详细地说明这些环境校正和参 数。在图4中，流程图78示出了用于确定地层50和井眼52中的元素浓度的部分绝对 产额的方法的实施例。流程图78以步骤80开始，此时将井下工具12下入到地层50中并 且井下工具12的中子源18将中子发射到周围地层50中。在步骤82中(该步骤可以与步 骤80同时发生)，可以使用中子源18附近的中子监测器20测量中子源18的绝对中子输 出。另外或者可选地，可以随后根据中子源校准或放射性衰变模型估算中子源18的绝对中 子输出。在步骤84中，伽玛射线探测器沈和/或观可以测量非弹性伽玛射线58和/或 和中子俘获伽玛射线62的能谱，当中子M与地层50相互作用时可以产生所述非弹性伽玛 射线58和/或和中子俘获伽玛射线62。步骤85-92可以大致涉及处理步骤，该处理步骤可以在嵌入在井下工具12和/或 数据处理系统14中的处理器中发生。在步骤85中，可以将测量的伽玛射线能谱分为元素 贡献、或相对元素产额。在步骤86中，可以相对于中子源18的中子输出对这些来自可归因 于所关心的能谱区域的伽玛射线的相对元素产额进行归一化，这可以产生地层50的未被校正的绝对元素产额。在步骤88中，可以区分可归因于地层50的相对产额和可归因于井 眼52的相对产额，并且在步骤90中，可以考虑各种因素以对地层50和/或井眼52的可能 会影响测量到的伽玛射线58和/或62能谱的环境影响进行校正。在步骤92中，如以下参 照公式O)，可以确定可归因于地层50的部分绝对环境产额和可归因于井眼52的部分绝对 环境产额。具体地，对于同时存在于地层50和井眼52中的元素来说，可以认为测量的绝对产 额Ai是地层50中的部分绝对产额AFi和井眼52中的部分绝对产额ABHi的总和。在这种条 件下，可以在以下两种可能性之间进行区分在由地层50产生的伽玛射线58和/或62能 谱的一部分与由井眼52产生的伽玛射线58和/或62能谱的一部分之间具有显著的能谱 差；没有可使用的可检测到的差异。如果地层50和井眼52之间的差异确实存在，则可以使 用该差异将绝对产额Ai分成地层50产额分量Af,i和井眼52产额分量Abh,it)实际实施方案 可以单独使用两种标准中的任一种，或者可以使用地层50标准和地层50与井眼52之间的 差异标准。在这种情况下，还可以对地层和井眼截面单独分解校正因子F。可以以任何顺序 完成步骤85-92，并且可以通过计算例如以下关系开始步骤85-92 Ai =Af, ^Abhj1= (YfJFf (参数-1，参数-2，....) +YBH, ^Fbh (参数-1，参数 _2，. . . .)) *TotCR/nCR(2)在以上的公式O)中，Ai表示每一种元素i的绝对产额，而Af, i和Abh, 别表示 元素i在地层50和井眼52中的部分绝对产额。YF,i和YBH,i分别表示地层50或井眼52的 相对元素产额，或可归因于地层50或井眼52的元素i的测量到的伽玛射线能谱的分数。 TotCR表示在谱分析中使用以提取相对产额的的能谱的区域内的总计数率。nCR表示确定 的中子讨输出，所述确定的中子M输出通过由中子监测器20得到的绝对中子计数测量值 和/或通过由校准或放射性衰变模型得到的估算值获得。Ff和Fbh分别表示说明井眼52和 地层50参数的环境校正因子。对于由图3和图4以及公式⑴和(2)所述的方法的上述两个实施例中，环境校 正因子(一个或多个)F可以是相当复杂的函数。环境校正因子(一个或多个)F可以被 因式分解，并且可以通过一系列蒙特卡洛计算确定与大多数参数的相关性。环境校正因子 (一个或多个)F还可以包括由最终井下工具12硬件的校准确定的比例因子。另外或者可 选地，可以由来自以上由公式(1)或( 所述的闭合归一化的结果的自动一致性分析确定 比例因子。以下提供比例因子的示例。环境校正因子(一个或多个)F采用的参数(例如，参数-1等)可以是例如由井下 工具12的被设计成用于此目的的其它部分或通过其它测井仪测量的任意普通物理参数。 以示例的方式，其中，这种普通物理参数可以包括孔隙度测量值或估计值、慢化时间测量值 或估计值、密度测量值或估计值、地层或井眼热中子俘获截面测量值或估计值等。可以由通 常没有被测井仪报告的不同组的物理参数获得一个或多个其它参数，其可以不具有明确的 物理解释。例如，其中，这种其它参数可以包括邻近伽玛射线探测器沈和/或28的局部中 子通量估计值、邻近伽玛射线探测器沈和/或观的局部中子能量分布估计值、原始中子监 测器20的计数率、原始伽玛射线探测器沈和/或观的计数率等。这些其它参数可以涉及 使用被定位成与靠近中子源18相比更靠近伽玛射线探测器沈和/或28的一个或多个中
13子探测器21的测量值。应用到中子俘获伽玛射线62产额的因子F中的一个或多个可以包括与伽玛射线 探测器沈和/或观附近的热中子通量的相关性。这种因子F的一种实施可以包括伽玛射 线探测器沈和/或观附近的热中子通量与测量的中子M通量之间的分数，其由一个或多 个中子探测器21测量和/或根据其它地层50测量值进行估算。应用到非弹性伽玛射线58 产额的因子F中的一个或多个可以包括与伽玛射线探测器沈和/或观附近的超热中子通 量的相关性。可以通过远离中子源18附近的中子监测器的一个或多个中子监测器20测量 或估算热中子通量和/或超热中子通量，或者可以根据其它地层50测量值估算所述热中子 通量和/或超热中子通量。因子F中的一个或多个可以包括与伽玛射线探测器沈和/或28附近的伽玛射线 衰减的相关性。因子F中的一个或多个可以包括对测井仪壳体16中的伽玛射线衰减的变 化的校正，该变化可能是由于环境变化和/或磨损而引起的。因子F中的一个或多个可以 包括对由例如中子俘获核转变60产生的井下工具12背景(kickgroimd)进行校正，其中该 中子俘获核转变60可发生在构成井下工具12的材料中。因子F中的一个或多个可以包括 对伽玛射线探测器沈和/或观附近的元素的有效原子序数的估算值，其通过其它井下测 量值或使用各种其它地层50模型技术确定。校正因子F的公式的一个示例由公式(3)被描述如下。公式(3)中所述的示例性 校正因子F可以具有与总地层中子俘获截面(Σ F)、中子慢化长度(Ls)、体积密度(Pb)、井 内流体中子俘获截面(Σ Β)、和井径(Db)的相关性，并且可以由以下关系表示F = ( Σ F+gi) *exp (Ls/g2) *exp ( P b/g3) *exp (DB/g4)(3)其中gl和g2取决于Db，g3取决于Ls,而g4取决于Σ β。图5示出了用于获得地层50的元素浓度的流程图96。流程图96的步骤基本上可 以涉及处理步骤，该处理步骤可以在嵌入在井下工具12和/或数据处理系统14中的处理 器中发生。具体地，第一步骤96可以涉及获得元素的绝对产额或元素的部分产额，所述元 素的绝对产额或部分产额可以根据图3的流程图64或图4的流程图78确定。在步骤98 中，可以说明正在评价的元素的专门特征，并且可以将该特征应用到元素的绝对产额。可以 利用基于元素的灵敏因子说明这些特征，基于元素的灵敏因子可以例如考虑截面、伽玛射 线多样性、伽玛射线探测器沈和/或观响应、和/或原子量。在步骤100中，可以通过应 用适当的比例因子说明元素、环境、和/或测井仪的各种物理性质。在步骤102中，根据上 述条件，可以获得地层50中的元素的部分密度。如以上所述，步骤96-102可以涉及处理步骤，所述处理步骤可以在嵌入在井下工 具和/或数据处理系统14中的处理器中发生。具体地，可以通过计算例如以下公式(4)执 行步骤96-102。对于给定元素i的部分密度可以描述如下ρ i = A1ZS1^f(4)其中Si是其中说明截面、伽玛射线多样性、伽玛射线探测器沈和/或28响应、和 /或原子量的基于元素的灵敏度，而f是比例因子。以示例的方式，比例因子f可以是由基本原理计算确定的常数，其可以由特定元 素的物理常数(例如，质量)和/或环境的其它物理信息(例如，体积密度)获得。另外 或者可选地，比例因子f可以由对在一定预定条件或已知条件下的测量值的校准值得出，或可以包括来自对在一定预定条件或已知条件下的测量值的校准值的分数。在一个实施例 中，因子f可以是地层50深度的常数。为了允许进行辅助调节以补偿没有在计算绝对产额Ai时进行说明的二次影响，如 上所述，比例因子f可以是函数，而不是常数。可以通过采用作为函数的比例因子f进行说 明的影响可以包括例如类似于伽玛射线探测器沈和/或观偏移和/或分辨率下降的其余 仪器影响。另外或者可选地，这种影响还可以包括来自测量的原始数据的在计算绝对产额 Ai时之前还没有进行说明的环境影响。以示例的方式，由温度和/或压力产生并且在公式 (1)或O)的因子f中还没有说明的环境影响可以通过采用对这种影响进行说明的比例因 子函数f来进行说明。可以使用各种技术验证地层50的被确定的部分元素密度。在一个示例中，如由以 下关系所述，与地层50相关的所有可测量的部分密度的总和Σ JpfJ可以小于或等于地 层50的体积密度 P b, eff ·Σ i(pFji) ^ Pbjeff(5)通常，因为不是可以使用这里所述的技术测量地层50的所有元素，因此所有可测 量的部分密度的总和Σ JpfJ将在大多数情况下小于地层50的体积密度Pb,rff。在由图6的流程图104所示的另一个示例中，可以使用涉及相对产额的技术检查 根据绝对产额Ai确定的元素浓度结果的一致性。具体地，在第一步骤106中，如上所述，可 以根据涉及绝对产额的技术确定地层50的元素浓度。在第二步骤108中，如以下所述参照 公式(6)和(7)、和/或公式(8)，可以根据涉及具有相对产额的元素闭合或氧化物闭合的 技术确定地层50的元素浓度。在步骤110中，可以验证元素浓度。在一些实施例中，验证 步骤110可以涉及合并根据相对产额确定的元素浓度与根据绝对产额确定的元素浓度以 获得结果的加权平均数，其中权重可以是常数或者根据置信度估计值来调节。这种用于氧化物闭合的技术可以用作元素浓度的第二估计以检查如上所述根据 绝对产额Ai计算的部分密度Pitl氧化物闭合过程可以利用中子俘获能谱学数据和铝(Al) 和钾(K)的单独测量值。该模型可以假设由中子俘获能谱学测量检测到的地层50元素可 以以定量的方式与所述元素的氧化物或地层中的最常见的形式有关，并且所有氧化物总和 为一。该模型采取以下关系的形式XKWK+XA1ffAi+F{ Σ Xi(YiZSi)I = 1(6)其中\是将元素转换成该元素的氧化物或最常见结合体(例如，钙通常被转化成 CaCO3而不是CaO)的因子，W是元素在地层中的重量分数，Y是由俘获能谱获得的元素的相 对产额，而S是基于特定元素的俘获截面和测井仪对该元素的特征辐射的灵敏度的预先确 定的测量灵敏度。在对F进行求解之后，每一个元素的重量分数可以被计算为Wi = FxYiZSi(7)另外或者可选地，上述方法可以用于由非弹性伽玛射线58产生的能谱。使用上述 方法，可以使用非弹性能谱产额测量多个元素。可以使用相对于中子源18输出的归一化值 将这些产额描述为绝对元素产额。类似于Al、Mg、Ca、Si、S的元素可以存在于非弹性伽玛 射线58能谱和中子俘获伽玛射线62能谱中。使用经环境校正的绝对产额可以将来自非弹 性伽玛射线58能谱的结果和中子俘获伽玛射线62能谱的结果结合或使用非弹性能谱作为 独立解。
以类似于对由于中子俘获伽玛射线62得到的绝对能谱产额和相对能谱产额的比 较的方式，可以比较由于非弹性伽玛射线58得到的非弹性绝对产额和非弹性相对产额，并 且在适当的情况下，在加权平均产额中结合所述非弹性绝对产额和非弹性相对产额。另外， 对于存在于非弹性能谱和俘获能谱中的元素来说，由于非弹性伽玛射线58得到的绝对非 弹性产额和由于中子俘获伽玛射线62得到的中子俘获产额可以用于提高上述答案的准确 度和精确性。当非弹性产额可以不受地层50或井眼52的热中子俘获截面的影响时，对非 弹性产额的环境校正还可以更加简单。这使得在高井眼52矿化度和相关联的高中子俘获 截面的情况下，非弹性产额尤其有价值。另外或者可选地，可以采用第二闭合模型验证根据绝对产额Ai计算的部 分密度Pi,这尤其可以在仅可获得中子俘获能谱学数据的情况中使用，美国专利 No. 5, 471, 057"METHOD AND APPARATUS for DETERMINING ELEMENTAL CONCENTRATIONS FOR GAMMA RAY SPECTROSCOPY TOOLS”中说明了这种情况，该专利通过引用在此全文并入。除 了该模型消除铝(Al)和钾(K)项之外，此模型可以与由以上公式(6)和(7)所述的模型相 同。另外，如由以下关系所述，此模型修改关联因子OCi)以说明没有铝(Al)和钾(K)测量 值F{ Σ Xi(YiZSi)I = 1(8)在利用涉及绝对产额的技术获得地层的元素浓度并且使用氧化物闭合技术获得 地层的元素浓度之后，可以相对于彼此检查这两种计算。之后，根据绝对产额确定的元素浓 度可以与根据相对产额和氧化物闭合确定的元素浓度合并以获得结果的加权平均数。此加 权平均数可以具有恒定权数或置信度估算调节权数。基于相对产额和闭合的元素浓度与基 于绝对产额的元素浓度的比较还可以用于通过使两个得到的浓度在已知或简单区域中或 在总测量区域的大部分区域上一致来确定比例因子f。虽然这里已经仅示出和说明了一些特征，但是本领域的技术人员将会进行多种修 改和改变。因此，要理解的是所附权利要求旨在涵盖落入本公开的实际精神内的所有这类 修改和改变。
权利要求
1.一种系统，包括 井下工具，包括中子源，所述中子源被构造成将中子发射到地下地层中以产生非弹性散射核转变和中 子俘获核转变；中子监测器，所述中子监测器被构造成检测所发射的所述中子的计数率；和 伽玛射线探测器，所述伽玛射线探测器被构造成获得伽玛射线能谱，所述伽玛射线能 谱至少部分地由非弹性伽玛射线和中子俘获伽玛射线得到，所述非弹性伽玛射线由所述非 弹性散射核转变产生，所述中子俘获伽玛射线由所述中子俘获核转变产生；和 数据处理电路，所述数据处理电路被构造成 由所述伽玛射线能谱确定相对元素产额；和至少部分地根据所述相对元素产额相对于所发射的所述中子的计数率的归一化值确 定绝对元素产额。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据环 境校正因子确定所述绝对元素产额，所述环境校正因子至少部分地说明对所发射的所述中 子、所述非弹性伽玛射线、所述中子俘获伽玛射线、或发射的所述中子、所述非弹性伽玛射 线和所述中子俘获伽玛射线的任意组合的环境影响。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据环 境校正因子确定所述绝对元素产额，所述环境校正因子至少部分地说明所发射的所述中子中的、能够从所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域逃逸 的分数；对所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的中子通量的变化的几何效应；对所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域的立体角的几何效应； 所述非弹性伽玛射线和所述中子俘获伽玛射线在所述地下地层中的衰减； 所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的热中子通量； 所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的超热中子通量；或 以上所述的任意组合。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据环 境校正因子确定所述绝对元素产额，所述环境校正因子是与所述地下地层的一个或多个物 理特征有关的一个或多个参数的函数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据环 境校正因子确定所述绝对元素产额，所述环境校正因子是与所述地下地层的一个或多个物 理特征有关的一个或多个参数的函数，其中，所述一个或多个参数包括所述地下地层的孔隙度； 所述地下地层的慢化时间； 所述地下地层的密度； 所述地下地层的热中子俘获截面； 所述地下地层中的井眼的热中子俘获截面；在所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域处的中子通量的估计值；在所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域处的中子能量分布的估计值；来自所述中子监测器的原始计数率；来自所述伽玛射线探测器的原始伽玛射线计数率；或以上所述参数的任意组合。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据所 述相对元素产额乘以所述伽玛射线能谱中用于获取所述相对产额的区域内的总伽玛射线 计数除以所发射的所述中子的计数率的商的乘积确定所述绝对元素产额。
7.一种方法，包括以下步骤使用中子源将已知近似数量的中子发射到地下地层中以产生非弹性散射核转变和中 子俘获核转变；使用伽玛射线探测器测量来自非弹性伽玛射线的伽玛射线能谱和来自中子俘获伽玛 射线的伽玛射线能谱，所述非弹性伽玛射线由所述非弹性散射核转变产生，所述中子俘获 伽玛射线由所述中子俘获核转变产生；使用处理器由所述伽玛射线能谱确定元素的相对产额；以及使用所述处理器至少部分地根据所述元素相对产额相对于所发射的中子的已知近似 数量的归一化值确定所述元素的绝对产额。
8.根据权利要求7所述的所述，包括以下步骤使用所述处理器至少部分地根据所述绝对产额和基于元素的灵敏度确定所述地下地 层中的元素的浓度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，至少部分地根据所述基于元素的灵敏度确定所 述元素的浓度，其中，所述基于元素的灵敏度被构造成说明所述元素的截面；与所述元素相关联的伽玛射线多样性； 所述伽玛射线探测器对由所述元素得到的伽玛射线的响应； 所述元素的原子量；或 以上所述的任意组合。
10.根据权利要求7所述的方法，包括以下步骤使用所述处理器至少部分地根据所述绝对产额和比例因子确定所述地下地层中的元 素的浓度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，至少部分地根据所述比例因子确定元素的所 述浓度，其中，所述比例因子包括由所述元素的物理常数和所述地下地层的物理特征得到的常数； 由包括所述中子源和所述伽玛射线探测器的井下工具的校准得到的常数； 包括来自对所述井下工具相对于已知条件下的测量值的校准值的分数的常数，所述井 下工具包括所述中子源和所述伽玛射线探测器； 基于深度的常数；或 以上所述常数的任意组合。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，至少部分地根据所述比例因子确定所述元素 的浓度，其中，所述比例因子是被构造成补偿环境影响或与伽玛射线探测器性能下降有关的仪器影响、或所述环境影响和所述仪器影响的组合的函数。
13.根据权利要求7所述的所述，包括以下步骤使用所述处理器至少部分地根据所述绝对产额、基于元素的灵敏度和比例因子确定所 述地下地层中的元素的浓度。
14.根据权利要求7所述的方法，包括以下步骤使用所述处理器至少部分地根据所述元素的绝对产额确定所述地下地层中的元素的 浓度，以及使用所述处理器至少部分地根据所述元素的相对产额的闭合归一化值确定所述地下 地层中的元素的浓度。
15.根据权利要求14所述的方法，包括以下步骤使用所述处理器确定至少部分地根据所述元素的绝对产额确定的所述地下地层中的 元素的浓度和至少部分地根据所述元素的相对产额的闭合归一化值确定的所述地下地层 中的元素的浓度的加权平均，其中，所述加权平均的权重是常数或能够根据置信度估计值 来调节。
16.根据权利要求14所述的方法，包括以下步骤使用所述处理器确定比例因子，所述比例因子是至少部分地根据所述元素的绝对产额 确定的所述地下地层中的元素的浓度与至少部分地根据所述元素的相对产额的闭合归一 化值确定的所述地下地层中的元素的浓度之间的比较。
17.一种系统，包括井下工具，所述井下工具被构造成将已知近似数量的中子发射到地下地层，并且检测 来自伽玛射线的伽玛射线能谱，当所发射的所述中子与所述地下地层相互作用时产生所述 伽玛射线；和数据处理电路，所述数据处理电路被构造成由所述伽玛射线能谱确定元素的相对产 额、并且至少部分地根据所述元素的相对产额相对于所发射的所述中子的已知近似数量的 归一化值和环境校正因子确定元素的绝对产额，所述环境校正因子至少部分地说明对发射 的所述中子、所述非弹性伽玛射线、所述中子俘获伽玛射线、或发射的所述中子、所述非弹 性伽玛射线和所述中子俘获伽玛射线的任意组合的环境影响。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述井下工具被构造成使用校准的放射源发 射已知近似数量的中子，所述校准放射源在可预测的速率下发射中子。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述井下工具被构造成使用电子中子发生器 发射已知近似数量的中子，所述电子中子发生器的中子输出由中子监测器监测。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述井下工具被构造成以足以产生非弹性散 射核转变的能量将已知近似数量的中子发射到所述地下地层中。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述井下工具被构造成以足以产生中子俘获 核转变而不产生非弹性散射核转变的能量将已知近似数量的中子发射到所述地下地层中。
22.根据权利要求17所述的系统，其中，所述井下工具被构造成检测抵达所述地下地 层中所述井下工具敏感的区域的中子的数量。
23.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据 所述环境校正因子确定所述元素的绝对产额，其中，所述环境校正因子是因式分解函数。
24.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据 所述环境校正因子确定所述元素的绝对产额，其中，所述环境校正因子是基于与所述地下 地层的一个或多个物理特征有关的一个或多个参数的函数，其中，所述数据处理电路被构 造成通过一系列蒙特卡洛计算确定所述环境校正因子和所述一个或多个参数的相关性。
25.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据 所述环境校正因子确定所述元素的绝对产额，其中，所述环境校正因子包括基于所述井下 工具的校准的比例因子。
26.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据 所述环境校正因子确定所述元素的绝对产额，其中，所述环境校正因子包括由所述地下地 层中确定的所述元素的绝对产额与所述元素的绝对浓度的确定值之间的关系确定的比例 因子，其中，所述绝对浓度的确定值不是基于所述元素的相对产额相对于发射的中子的已 知近似数量的归一化值。
27.一种方法，包括以下步骤使用井下工具中的中子源将已知近似数量的中子从井眼发射到地下地层中以产生非 弹性散射核转变和中子俘获核转变；使用所述井下工具中的伽玛射线探测器测量来自非弹性伽玛射线的伽玛射线能谱和 来自中子俘获伽玛射线的伽玛射线能谱，所述非弹性伽玛射线由所述非弹性散射核转变产 生，所述中子俘获伽玛射线由所述中子俘获核转变产生；使用处理器由所述伽玛射线能谱确定所述地下地层中的元素的部分相对产额；使用处理器由所述伽玛射线能谱确定所述井眼中的元素的部分相对产额；以及使用所述处理器至少部分地根据所述地下地层中的元素的部分相对产额相对于所发 射的已知近似数量的中子的归一化值确定所述地下地层中的元素的部分绝对产额，并且使 用所述处理器至少部分地根据在所述井眼中的元素的部分相对产额相对于所发射的已知 近似数量的中子的归一化值确定所述井眼中的元素的部分绝对产额。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，根据所述地下地层中的元素的能谱标准确定 所述地下地层中的元素的部分相对产额，并且其中根据所述井眼中的元素的能谱标准确定 所述井眼中的元素的部分相对产额。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，根据所述地下地层中的元素的能谱标准确定 所述地下地层中元素的部分相对产额，并且其中根据所述地下地层中的元素的能谱标准与 所述井眼中的元素的能谱标准之间的差异确定所述井眼中的元素的部分相对产额。.
30.一种系统，包括井下工具，所述井下工具包括中子源，所述中子源被构造成将中子发射到地下地层中；中子监测器，所述中子监测器被构造成确定由所述中子源发射的中子的中子计数率；伽玛射线探测器，所述伽玛射线探测器被构造成测量伽玛射线的伽玛射线能谱和伽玛 射线计数率，所述伽玛射线由所发射的所述中子与所述地下地层的相互作用产生；和数据处理电路，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据所述伽玛射线能谱确定元 素的相对产额，和至少部分地根据所述元素的相对产额乘以所述伽玛射线计数率除以所述 中子计数率的商的乘积确定所述元素的绝对产额。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述井下工具包括比所述中子源更靠近所述 伽玛射线探测器的中子探测器。
32.根据权利要求30所述的系统，其中，所述数据处理电路被构造成至少部分地根据 环境校正因子确定所述元素的绝对产额，其中，所述环境校正因子取决于所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的热中子通量； 包括所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域的热中子通量相对于所述中子 计数率的分数；取决于所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的超热中子通量； 取决于所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的伽玛衰减； 包括对所述井下工具的壳体中的伽玛射线衰减的变化的校正； 包括所述地下地层中所述伽玛射线探测器敏感的区域中的元素的原子序数的估计值；或以上所述的任意组合。
全文摘要
本发明公开了一种用于由中子感应伽玛射线能谱学估算地下地层的绝对元素浓度的系统和方法。在一个示例中，用于估算地下地层中的元素的绝对产额的系统(10)可以包括井下工具(12)和数据处理电路(14)。井下工具可以包括中子源(18)，用于将中子发射到地下地层中；中子监测器(20)，用于检测所发射的中子的计数率；和伽玛射线探测器(26，28)，用于获得伽玛射线能谱，所述伽玛射线能谱至少部分地由非弹性伽玛射线和中子俘获伽玛射线得到，所述非弹性伽玛射线由所述非弹性散射核转变产生，所述中子俘获伽玛射线由所述中子俘获核转变产生。数据处理电路可以被构造成由所述伽玛射线能谱确定相对元素产额；和至少部分地根据相对元素产额相对于所发射的中子的计数率的归一化值确定绝对元素产额。
文档编号G01V5/10GK102084271SQ200980125733
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月29日 优先权日2008年7月2日
发明者克里斯蒂安·斯特勒, 吉姆·A·格劳, 马库斯·伯海德 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司
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