Результат интеллектуальной деятельности: АБСОЛЮТНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ЯДЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Уровень техники

Настоящее раскрытие относится в основном к нейтронной гамма-спектроскопии и, более конкретно, к методикам для определения абсолютных концентраций элементов из нейтронной гамма-спектроскопии.

При использовании ядерных скважинных инструментов можно определить концентрацию элементов подземной формации с использованием различных методик. Косвенное определение литологии формации может быть получено с использованием информации из измерений плотности и фотоэлектрического эффекта (PEF) из рассеивания гамма-излучения в формации. Прямое обнаружение элементов формации может быть получено путем обнаружения вызванного нейтронами гамма-излучения. Вызванное нейтронами гамма излучение может быть создано источником нейтронов, испускающим нейтроны в формацию, которые могут взаимодействовать с элементами формации посредством неупругого рассеяния, высокоэнергетических ядерных реакций или захватом нейтронов.

Гамма-излучение, испускаемое во время событий неупругого рассеяния ("неупругое гамма-излучение") или во время событий захвата нейтронов, может иметь характеристические энергии, которые, на основании различных спектроскопических методик, могут идентифицировать конкретные изотопы, которые испустили гамма-излучение. Методики, использующие интерпретацию неупругой спектроскопии, могут быть основаны на отношениях содержания элементов, присущих неупругому гамма-излучению различных характеристических энергий. Это особенно касается количества детектированного гамма-излучения углерода относительно кислорода ("отношение С/О"), которое используется для оценки нефтенасыщенности формации. Преимуществом использования отношения является то, что некоторые инструментальные эффекты, такие как переменный выход нейтронов и многие эффекты среды будут нейтрализованы.

Недостатком использования отношения является то, что его обычно сложнее интерпретировать. Для простого случая оценки нефтенасыщенности в водонаполненной скважине, отношение С/О может быть осложнено гамма-излучением, связанным с кислородом из скважинного флюида и цементированного кольцеобразного зазора, при этом все гамма-излучение, связанное с углеродом, может быть выведено из формации.

Похожие методики, использующие спектроскопию захвата нейтронов, могут использовать сбор и анализ энергетического спектра нейтронного гамма-излучения. Элементы, обычно включенные в спектр захвата нейтронов, могут включать в себя Si, Ca, Fe, S, Ti, Gd, H, Cl и другие, и иногда Al, Na, Mg, Mn и другие элементы в незначительных или следовых количествах. Однако концентрации элементов, определенные с использованием таких методик, могут также обычно идентифицировать только относительные концентрации элементов формации, кроме случаев, когда абсолютная концентрация элемента формации уже известна или правильно оценена.

Некоторые другие методики для оценки абсолютных концентраций элементов в формации могут использовать нормализацию оксидного замыкания данных спектрального каротажа, или могут использовать дополнительные данные спектрального каротажа с измерениями активации и/или естественного гамма-излучения. Однако нормализация замыкания может зависеть от точных зависимостей для неизмеренных элементов, которые могут меняться в зависимости от полной совокупности элементов формации. Дополнительно нормализация замыкания может зависеть от использования всех элементов, которые могут влиять на спектр (за исключением K и Al), при этом некоторые из них не могут быть так же точно определены, как другие. Использование активации и/или измерений естественного гамма излучения может также иметь различные недостатки. В частности, такие измерения могут часто использовать очень сложные инструменты и длительное время измерения.

Сущность изобретения

Ниже излагаются некоторые аспекты, попадающие в объем изобретения с изначально заявленными вариантами осуществления. Следует понимать, что эти аспекты представлены исключительно для того, чтобы сообщить читателю краткое описание определенных форм, которые могут принимать варианты осуществления, и что эти аспекты не предназначены для ограничения объема вариантов осуществления. На самом деле, варианты осуществления могут включать в себя различные аспекты, которые могут быть не изложены ниже.

Настоящие варианты осуществления, в общем, относятся к системам и способам для оценки абсолютной концентрации элементов в подземной формации с использованием нейтронной спектроскопии. Например, система для оценки абсолютного вклада элемента в подземную формацию может включать в себя скважинный инструмент и схему обработки данных. Скважинный инструмент может включать в себя источник нейтронов для испускания нейтронов в формацию, монитор нейтронов для обнаружения скорости счета испущенных нейтронов, детектор гамма-излучения для получения спектра гамма-излучения, выведенного, по меньшей мере, частично, из неупругого гамма-излучения, созданного событиями неупругого рассеяния, и гамма-излучения захвата нейтронов, созданного событиями захвата нейтронов. Схема обработки данных может быть сконфигурировано для определения относительного вклада элементов из спектра гамма-излучения и для определения абсолютного вклада элементов на основании, по меньшей мере, частично, нормализации относительного вклада элементов по скорости счета испущенных нейтронов.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего раскрытия могут стать понятными после прочтения следующего подробного описания и после обращения к чертежам, на которых:

Фиг.1 является схематической блок-диаграммой системы, включающей в себя скважинный инструмент и схему обработки данных для измерения абсолютных концентраций элементов на основании спектрального анализа, вызванного нейтронами гамма-излучения, в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.2 является схематической блок-диаграммой операции скважинного каротажа с использованием скважинного инструмента на фиг.1, в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.3 является блок-схемой, описывающей вариант осуществления способа для определения абсолютных вкладов элементов в формацию на основании измерений вызванного нейтронами гамма-излучения, в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.4 является блок-схемой, описывающей вариант осуществления способа для определения парциальных абсолютных вкладов элементов в формацию и скважину на основании измерений вызванного нейтронами гамма-излучения, в соответствии с вариантом осуществления;

Фиг.5 является блок-схемой, описывающей вариант осуществления способа для определения абсолютных концентраций элементов на основании определенных абсолютных вкладов элементов, в соответствии с вариантом осуществления; и

Фиг.5 является блок-схемой, описывающей вариант осуществления способа для проверки абсолютных концентраций элементов с использованием методик оксидного замыкания и относительных вкладов, в соответствии с вариантом осуществления.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления

Ниже будут рассмотрены одно или более конкретных вариантов осуществления. В целях обеспечения краткости описания этих вариантов осуществления, в спецификации будут описаны не все признаки реальной реализации. Следует оценить, что в разработке любого такого реального воплощения, в любом инженерном или конструкторском проекте, должны быть приняты многие специфические для реализации решения для достижения конкретных целей разработчика, такие как соблюдение связанных с системой и бизнесом ограничений, которые могут изменяться от одной реализации к другой. Более того, следует оценить, что такая разработка может сложной и требующей времени, но, тем не менее, будет обычной работой, выполняемой при конструировании, изготовлении и производстве для специалистов в данной области методики, имеющих преимущества этого раскрытия.

Варианты осуществления раскрытого здесь предмета обсуждения относятся в основном к системам и способам для спектроскопии вызванного нейтронами гамма-излучения. В частности, раскрытый здесь предмет обсуждения относится к методикам для определения абсолютных концентраций элементов подземной формации. Эти методики могут использовать события неупругого рассеяния и события захвата нейтронов в подземной формации, вызванные путем бомбардирования формации нейтронами, которое может вызвать испускание неупругого и вызванного захватом нейтронов гамма-излучения. Неупругое и вызванное захватом нейтронов гамма-излучение может иметь энергетические спектры, которые являются характеристическими для элементов, от которых они получены.

Количество испущенных нейтронов может быть отслежено или известно другим способом, и результирующие спектры гамма-излучения могут быть измерены и нормализованы относительно отслеженного выхода нейтронов. Было определено, что оценки абсолютных концентраций элементов могут быть выведены из абсолютных вкладов элементов в гамма-спектроскопию, что может соответствовать вкладу в гамма-спектроскопию, нормализованному наблюдаемым или известным выходом нейтронов и различным коррекциям среды для учета свойств формации и/или скважины. Как здесь используется, термин "абсолютный вклад" не означает предположение того, что спектроскопические измерения гамма-излучения выполняются относительно известного элемента формации. А точнее, может не потребоваться прямого измерения других элементов для вывода эмпирического closure factor в соответствии с методиками, описанными ниже.

Имея в виду вышеупомянутое, фиг.1 иллюстрирует систему 10 для определения абсолютных концентраций элементов подземной формации, которая включает в себя скважинный инструмент 12 и систему 14 обработки данных. В качестве примера, скважинный инструмент 12 может быть канатными или кабельным инструментом для каротажа существующей скважины, или может быть установлен в забойном агрегате для каротажа во время бурения (LWD). Система 14 обработки данных может быть встроена в скважинный инструмент 12 или может быть в удаленном месте. Скважинный инструмент 12 может быть окружен корпусом 16.

Скважинный инструмент 12 может включать в себя источник 18 нейтронов, выполненный с возможностью испускать нейтроны в подземную формацию. В качестве примера, источник 18 нейтронов может быть электронным источником нейтронов, таким как Minitron™ компании Schlumberger Technology Corporation, который может создавать импульсы нейтронов при реакциях d-D и/или d-T. Дополнительно или в качестве альтернативы, источник 18 нейтронов может быть радиоактивным источником, таким как AmBe или ²⁵²Cf источником.

Выход нейтронов из источника 18 нейтронов может быть известным через использование различных методик. Например, если источник 18 нейтронов включает в себя радиоактивный источник, абсолютный выход источника 18 нейтронов может быть определен посредством калибровки. Дополнительно, абсолютный выход источника 18 нейтронов может быть определен путем вычисления изменения активности источника 18 нейтронов как функции от времени с момента калибровки, поскольку радиоактивный источник может следовать известному экспоненциальному закону распада, и может иметь известный период полураспада.

Если источник 18 нейтронов включает в себя электронный генератор нейтронов, заданный постоянный выход источника 18 нейтронов может зависеть от многих параметров, которые управляют генерацией нейтронов и, таким образом, выход нейтронов источника 18 нейтронов. Эти параметры могут включать в себя, среди прочего, поток пучка ионов, поддерживаемый внутри трубки генератора нейтронов, ускоряющееся высокое напряжение, приложенное к трубке, и работу источника ионов. Однако, даже если все эти параметры точно регулируются, постоянных выход нейтронов не может быть гарантирован, поскольку кратковременные флюктуации выхода нейтронов могут возникать в связи с изменениями в характеристиках работы генератора нейтронов в зависимости от времени и температуры. Дополнительно, долгосрочные измерения вследствие старения трубки генератора могут дополнительно сказываться на выходе нейтронов источника 18 нейтронов.

Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, монитор 20 нейтронов может наблюдать выход нейтронов из источника 18 нейтронов. Монитор 20 нейтронов может быть, например, пластиковыми сцинтилляторами или фотоумножителями, которые могут в первую очередь обнаруживать не рассеянные нейтроны непосредственно из источника 18 нейтронов, и может обеспечивать сигнал скорости счета пропорционально скорости выхода нейтронов из источника 18 нейтронов. Как описано более подробно ниже, выход нейтронов, определенный или через калибровку источника 18 нейтронов и/или подходящие вычисления, или через использование монитора 20 нейтронов, может быть использован для определения абсолютных спектральных вкладов, принадлежащих различным элементам формации.

Нейтронный защитный экран 22 может отделять источник 18 нейтронов от различных детекторов в скважинном инструменте 12. Похожий защитный экран 24, который может содержать такие элементы, как свинец, могут препятствовать гамма-излучению проходить между различными детекторами скважинного инструмента 12. Скважинный инструмент 12 может дополнительно включать в себя один или более детекторов гамма-излучения, и может включать в себя три и более детекторов гамма-излучения. Скважинный инструмент 12, проиллюстрированный на фиг.1, включает в себя два детектора 26 и 28 гамма-излучения. Относительные положения детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения в скважинном инструменте 12 могут меняться.

Детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут быть заключены в соответствующие корпусы 30. Кристаллы 32 сцинтилляторов в детекторах 26 и/или 28 гамма-излучения делают возможным обнаружение импульсов или спектра гамма-излучения путем испускания света, когда гамма-излучение рассеивается или захватывается в кристалле 32 сцинтиллятора. Кристаллы 32 сцинтиллятора могут быть неорганическими детекторами сцинтилляций, содержащих, например, NaI(Tl), LaCl₃, LaBr₃, BGO, GSO, YAP и/или другие подходящие материалы. Корпуса 34 могут окружать кристаллы 32 сцинтиллятора. Фотодетекторы 36 могут детектировать свет, испущенный кристаллами 32 сцинтиллятора, когда гамма-излучение поглощается и свет проходит через оптическое окно 38. Детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут быть сконфигурированы для получения импульса гамма-излучения или спектра гамма-излучения, и могут, таким образом, включать в себя анализатор высоты импульса гамма-излучения.

Один или более детекторов 21 нейтронов могут быть расположены где-либо в скважинном инструменте 12, и могут быть использованы для определения различных корректирующих факторов среды, как описано ниже. В частности, один или более детекторы 21 нейтронов могут быть тепловыми, надтепловыми или детекторами быстрых нейтронов, которые могут позволять измерять зависимость теплового или надтеплового потока нейтронов поблизости от детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Этот тепловой и/или надтепловой поток нейтронов может быть измерен или оценен одним или более детекторами 21 нейтронов, расположенных на некотором расстоянии от источника 18 нейтронов.

Сигналы от монитора 20 нейтрона, от одного или более детекторов 21 нейтронов и детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения могут быть переданы системе 14 обработки данных как данные 40 и/или могут быть обработаны или предварительно обработаны встроенным процессором в скважинном инструменте 12. Система 14 обработки данных может включать в себя компьютер общего назначения, такой как персональный компьютер, выполненный с возможностью исполнять различное программное обеспечение, включающее в себя программное обеспечение, воплощающее все или часть настоящих методик. В качестве альтернативы система 14 обработки данных может включать в себя, среди прочего, мэйнфрейм, распределенную вычислительную систему, или специфичный для приложения компьютер или рабочую станцию, выполненную с возможностью реализовывать все или часть настоящих методик на основании специализированного программного обеспечения и/или оборудования, обеспеченного как часть системы. Далее, система 14 обработки данных может включать в себя или один процессор или множество процессоров для облегчения реализации раскрытой здесь функциональности.

В основном, система 14 обработки данных может включать в себя схему 44 обработки данных, которая может быть микроконтроллером или микропроцессором, таким как процессор (CPU), который может выполнять различные процедуры и обрабатывающие функции. Например, схема 44 обработки данных может выполнять различные инструкции операционной системы, а также процедуры программного обеспечения, сконфигурированные для осуществления определенных процессов, и хранящиеся в или на предоставленных производителем средствах, таких как компьютерно читаемый носитель, такой как устройство памяти (например, память с произвольным доступом (RAM) персонального компьютера) или один или несколько устройств хранения данных (например, внутренний или внешний жесткий диск, устройство твердотельной памяти, CD-ROM, DVD, или другое устройство хранения). В дополнение, схема 44 обработки данных может обрабатывать данные, предоставленные в виде входных данных для различных процедур или программ программного обеспечения, включающих в себя данные 40.

Такие данные, связанные с настоящими методиками, могут храниться или обеспечиваться в памяти или устройстве хранения данных система 14 обработки данных. В качестве альтернативы, такие данные могут быть предоставлены схеме 44 обработки данных система 14 обработки данных посредством одного или нескольких устройств ввода. В одном варианте осуществления, схема 42 сбора данных может представлять одно такое устройство ввода; однако устройства ввода могут также включать в себя ручные устройства ввода, такие как клавиатура, мышь или тому подобное. В дополнение, устройства ввода могут включать в себя сетевые устройства, такие как проводные или беспроводные карты Ethernet, беспроводной сетевой адаптер, или любые различные порты или устройства, выполненные с возможностью облегчать соединение с другими устройствами посредством любой подходящей сети связи, такой как локальная сеть или интернет. Через такое сетевое устройство система 14 обработки данных может обмениваться данными и соединяться с другими сетевыми электронными системами, расположенными поблизости или удаленными от системы. Сеть может включать в себя различные компоненты, которые облегчают связь, включая в себя коммутаторы, роутеры, сервера или другие компьютеры, сетевые адаптеры, соединительные кабели, и так далее.

Скважинный инструмент 12 может передавать данные 40 схеме 42 сбора данных система 14 обработки данных через, например, нисходящее соединение телеметрической системы или соединительный кабель. После приема данных 40, схема 42 сбора данных может передавать данные 40 схеме 44 обработки данных. В соответствии с одной или более хранящихся процедур, схема 44 обработки данных может обрабатывать данные 40 для получения одного или более свойств подземной формации, окружающей скважинный инструмент 12. Такая обработка может использовать, например, одну или более методик для оценки абсолютного вклада элементов формации на основании абсолютных спектральных вкладов гамма-излучения неупругого рассеяния и/или захвата нейтронов. Схема 44 обработки данных может после этого выводить отчет 46, показывающий одно или более выявленных свойств формации. Отчет 46 может храниться в памяти или может быть предоставлен оператору через одно или несколько устройств вывода, такое как электронный дисплей и/или принтер.

Фиг.2 иллюстрирует операцию 48 скважинного каротажа вызванным нейтронами гамма-излучением, которая использует размещение скважинного инструмента 12 в окружающей подземной формации 50. В операции 48, изображенной на фиг.2, скважинный инструмент 12 был опущен в скважину 52. Операция 48 скважинного каротажа может начинаться, когда источник 18 нейтронов выводит нейтроны 54 в окружающую формацию 50. Если источник 18 нейтронов испускает нейтроны примерно в 14.1 МэВ, например, 14.1 МэВ нейтроны могут сталкиваться с ядрами в окружающей формации 50 посредством событий неупругого рассеивания, что может создавать гамма-излучение 58 и заставлять нейтроны из импульса нейтронов 54 терять энергию. По мере того, как нейтроны 54 теряют энергию, чтобы становиться надтепловыми и тепловыми нейтронами, они могут быть абсорбированы ядрами формации 50 в событиях 60 захвата нейтронов, которые могут создавать гамма-излучение 62 захвата нейтронов. Если источник нейтронов испускает только нейтроны 54 с энергией, недостаточной для создания событий неупругого рассеяния, то могут происходить практически только события 60 захвата нейтронов.

Неупругое гамма-излучение 58 и/или гамма-излучение 62 захвата нейтронов может быть обнаружено детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения. Как было отмечено выше, спектр гамма-излучения 58 и 62 может быть характеристическим для элементов, из которых оно получено. Поэтому, спектр гамма-излучения 58 и/или 62 может быть проанализирован для определения вкладов элементов.

Одновременно с этим, монитор 20 нейтронов около источника 18 нейтронов может измерять абсолютных выход нейтронов источника 18 нейтронов. Как дополнительно описано ниже, взаимосвязь между обнаруженным спектром гамма-излучением 58 и/или 62 и абсолютным выходом нейтронов источника 18 нейтронов может показывать абсолютный вклад элемента. Однако могут возникнуть несколько трудностей из-за эффектов среды формации 50 и скважины 52. Например, детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения обычно способны только обнаруживать неупругое гамма-излучение 58 и/или гамма-излучение 62 захвата нейтронов, которое возникает в определенных регионах формации 50 вблизи соответствующих детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Часть общего потока нейтронов может выйти из таких регионов, и эта часть может зависеть от различных факторов среды. Чем меньше нейтронов 54 достигнут региона формации 50, к которым чувствительны детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения, тем меньше может быть создано обнаруживаемого гамма-излучения 58 и/или 62. Длина замедления является одним из факторов, который может оказывать влияние на этот эффект.

Точно так же, из-за того, что источник 18 нейтронов и детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения не расположены в одном месте, скорость счета нейтронов, измеренная одним или более детекторами 21 нейтронов, может потребовать корректировки геометрических эффектов вариации потока нейтронов в зоне формации 50, к которой чувствительны детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения. Дополнительные измерения из других инструментов и/или моделирование могут быть использованы для оценки части потерянных нейтронов 54, а также изменения в эффективном пространственном угле детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Несколько факторов могут влиять на этот эффект, многие из которых могут быть учтены с использованием различных параметров, как описано ниже.

Другая трудность, которая может возникнуть, может быть специфической для измерения гамма-излучения 62 захвата нейтронов. В частности, количество тепловых нейтронов, которые достигают объема формации 50, исследуемого детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения, может не быть прямо пропорциональным абсолютному выходу высокоэнергетических нейтронов (например, 14,1 МэВ). Точнее, поток тепловых нейтронов может зависеть от транспорта нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов в формации 50 до захвата. В связи с этим, дополнительные измерения из других инструментов и/или моделирование может быть использовано для оценки части тепловых нейтронов, которые достигают объема формации 50, исследуемой детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения. Одним фактором в таком вычислении может быть сигма-измерение формации 50, которое представляет макроскопическое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов формации 50.

Затухание гамма-излучения 58 и/или 62 может быть также вызвано средой формации 50. Поскольку на затухание гамма-излучения может влиять плотность формации 50, такое измерение может быть использовано для учета этих эффектов. И наконец, присутствие скважины 52 может также осложнять полученные измерения гамма-излучения 58 и/или 62 детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения. Эффекты среды скважины 52 могут быть учтены путем использования дополнительных измерений параметров скважины 52 и моделированием, которые могут включать в себя диаметр скважины 52 и/или измерения или оценку сигмы скважины 52.

Если скважинный инструмент включает в себя детектор 21 нейтронов поблизости с детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения, этот детектор 21 нейтронов может быть использован для измерения потока тепловых и/или надтепловых нейтронов, связанных с регионом формации 50 и/или скважины 52, исследуемых детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения. Эти измерения могут раскрывать определенные характеристики среды формации 50, которые могут быть скорректированы путем использования методик, описанных ниже.

Фиг.3 и фиг.4 представляют различные варианты осуществления способов для определения абсолютного вклада элементов из детектированного спектра гамма-излучения. Методики, описанные на фиг.3 и фиг.4, представляют методики, которые могут использовать скважинный инструмент 12 и/или систему 14 обработки данных. Обратимся сначала к фиг.3, на котором блок-схема 64 начинается с этапа 66, когда скважинный инструмент опускается в формацию 50 и источник 18 нейтронов скважинного инструмента 12 излучает нейтроны 54 в окружающую формацию 50. На этапе 68, который может выполняться одновременно с этапом 66, абсолютный выход нейтронов источника 18 нейтронов может быть измерен с использованием монитора 20 нейтронов около источника 18 нейтронов. Дополнительно или в качестве альтернативы, абсолютный выход нейтронов источника 18 нейтронов может быть оценен позже на основании калибровки источника 18 нейтронов и моделей радиоактивного распада. На этапе 70 детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут измерять спектр гамма-излучения 58 и/или 62 неупругого рассеяния и захвата нейтронов, которые может быть создано, когда нейтроны 54 взаимодействуют с формацией 50.

Этапы с 71 по 76 могут включать в себя в основном этапы обработки, которые могут иметь место в процессоре, встроенном в скважинный инструмент 12 и/или систему 14 обработки данных. На этапе 71, измеренный спектр гамма-излучения может быть разделен на составные спектры элементов, или относительные вклады элементов. На этапе 72, эти относительные вклады элементов из гамма-излучения, имеющие отношение к интересующему спектральному региону, могут быть нормализованы по выходу нейтронов источника 18 нейтронов, что может дать нескорректированный абсолютный вклад элементов формации 50. На этапе 74, различные факторы могут быть учтены для корректировки эффектов среды формации 50 и/или скважины 52, которые могут влиять на измеренный спектр гамма-излучения 58 и/или 62. На этапе 76, на основании описанных выше отношений, одна или более абсолютных концентраций элементов формации 50 может быть определена, как описано ниже со ссылкой на Уравнение (1). Эти этапы могут быть выполнены в любом порядке, и могут начинаться с расчета, например, следующего отношения:

(1)

В приведенном выше уравнении 1, A_i представляет абсолютные вклады для каждого элемента i. Y_i представляет относительные вклады элементов, или части измеренного спектра гамма-излучения, соотнесенного с элементом i. TotCR представляет полную скорость счета в регионе спектра, используемую в спектральном анализе для извлечения относительных вкладов. nCR представляет определенный выход нейтронов 54 из источника 18 нейтронов, как полученный посредством измерения абсолютного количества нейтронов монитором 20 нейтронов и/или через оценку с помощью калибровки или модели радиоактивного излучения. F представляет фактор коррекции среды, учитывающий параметры скважины 52 и/или формации 50. Как упоминалось выше, такие коррекции среды могут учитывать перенос нейтронов и затухание гамма-излучения среди прочего. Эти коррекции среды и параметры обсуждены более подробно ниже.

На фиг.4 блок-схема 78 описывает вариант осуществления способа для определения парциальных абсолютных вкладов концентраций элементов в формации 50 и скважине 52. Блок-схема 78 начинается с этапа 80, когда скважинный инструмент 12 опускается в формацию 50, и источник 18 нейтронов скважинного инструмента 12 испускает нейтроны 54 в окружающую формацию 50. На этапе 82, который может выполняться одновременно с этапом 80, абсолютный выход нейтронов источника 18 нейтронов может быть измерен с использованием монитора 20 нейтронов около источника 18 нейтронов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, абсолютный выход нейтронов источника 18 нейтронов может быть оценен позже на основании калибровки источника 18 нейтронов или моделей радиоактивного распада. На этапе 84, детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения могут измерять спектр гамма-излучения 58 и/или 62 неупругого рассеяния и захвата нейтронов, которое может быть создано, когда нейтроны 54 взаимодействуют с формацией 50.

Этапы с 85 по 92 могут в основном содержать обрабатывающие этапы, которые могут происходить в процессоре, встроенном в скважинный инструмент 12 и/или системе 14 обработки данных. На этапе 71, измеренный спектр гамма-излучения может быть разделен на составляющие элементов или относительные вклады элементов. На этапе 86, эти относительные вклады элементов из гамма-излучения, свойственные интересующему спектральному региону, могут быть нормализованы относительно выхода нейтронов источника 18 нейтронов, который может создавать нескорректированный абсолютный вклад элементов формации 50. На этапе 88, относительные вклады, свойственные формации 50 и скважине 52, могут быть выделены, и на этапе 90, различные факторы могут быть учтены для корректировки эффектов среды формации 50 и/или скважины 52, которые могут оказать влияние на измеренный спектр гамма-излучения 58 и/или 62. На этапе 92, парциальные абсолютные вклады среды, свойственные формации 50 и скважине 52, могут быть определены, как описано ниже со ссылкой на Уравнение (2).

В частности, для элементов, которые совместно существуют в формации 50 и скважине 52, измеренный абсолютный вклад A_i может быть рассмотрен в виде суммы парциальных абсолютных вкладов в формации 50 A_F,i и скважине 52 A_BH,i. При таких условиях может быть возможным различение между двумя возможностями, которые могут быть значительными спектральным различием между частями спектра гамма-излучения 58 и/или 62, излучаемого из формации 50 и скважины 52, и что может не быть полезного обнаруживаемого различия. Если различие между стандартом формации 50 и скважины 52 существует, то оно может быть использовано для разделения абсолютного вклада A_i на компонент A_F,i вклада формации 50 и компонент A_BH1i вклада скважины 52. Практическая реализация может использовать или два стандарта раздельно, или может использовать стандарт формации 50 и различие между стандартом формации 50 и скважины 52. В таком случае, фактор коррекции F может также быть разделен для секции формации и скважины независимо. Этапы с 85 по 92 могут быть выполнены в любом порядке, и могут начинаться, например, с вычисления следующего уравнения:

(2)

В приведенном выше уравнении (2) A_i представляет абсолютные вклады для каждого элемента i, и A_F,i и A_BH,i представляют абсолютные вклады элемента i в формации 50 и скважине 52 соответственно. Y_F,i и Y_BH,i представляют относительные вклады элементов формации 50 и скважины 52, или часть измеренного спектра гамма-излучения, свойственного элементу i, свойственного формации 50 и скважине 52 соответственно. TotCR представляет полную скорость счета внутри региона спектра, используемого в спектральном анализе для извлечения относительных вкладов. nCR представляет определенный выход нейтронов 54 из источника 18 нейтронов, как полученный через измерение абсолютного количества нейтронов с помощью монитора 20 и/или с помощью оценки путем калибровки или моделей радиоактивного распада. F_F и F_BH представляют факторы коррекции среды, учитывающие параметры формации 50 и скважины 52 соответственно.

Для обоих описанных выше вариантов осуществления способов, описанных фиг.3 и фиг.4 и уравнениями (1) и (2), факторы F коррекции среды могут быть достаточно сложными функциями. Факторы F коррекции среды могут быть разложены на множители, и зависимость от большинства параметров может быть определена посредством серии расчетов методом Монте-Карло. Факторы F коррекции среды могут также включать в себя масштабирующий фактор, определенный путем калибровки конечного оборудования скважинного инструмента 12. Дополнительно или в качестве альтернативы, масштабирующий фактор может быть определен из анализа непротиворечивости из результатов нормализации замыкания, описанного выше Уравнениями (1) и (2). Пример масштабирующего фактора представлен ниже.

Параметры, используемые факторами F коррекции среды (например, параметр-1), и так далее, могут быть общими физическими параметрами, измеренными, например, другими секциям скважинного инструмента 12, разработанными для этих целей, или другими инструментами. В качестве примера, такие общие физические параметры могут включать в себя, среди прочих, измерения или оценки пористости, измерения или оценки времени замедления, измерения или оценки плотности, измерения или оценки поперечного сечения захвата тепловых нейтронов формации или скважины, и так далее. Один или более других параметров могут быть выведены или различного множества физических параметров, обычно не выдаваемых каротажными инструментами, которые могут не иметь ясной физической интерпретации. Например, такие другие параметры могут включать в себя, среди прочих, оценки локальных потоков нейтронов вблизи детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения, грубая оценка скорости счета монитора 20 нейтронов, грубая оценка скорости счета детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения, и так далее. Эти другие параметры могут включать в себя измерения с использованием одного или более детекторов 21 нейтронов, расположенных ближе к детекторам 26 и/или 28 гамма-излучения, чем источник 18 нейтронов.

Один или более факторов F, примененных к вкладу гамма-излучения 62 захвата нейтронов, может содержать зависимость от потока тепловых нейтронов вблизи детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Одна реализация такого фактора F может содержать отношение между потоком тепловых нейтронов около детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения и измеренным потоком нейтронов 54, как измеренными одним или более детекторами 21 нейтронов и/или как оцененными на основании других измерений формации 50. Один или более факторов F, примененных к вкладу неупругого гамма-излучения 58, могут содержать зависимость потока надтепловых нейтроном вблизи детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Поток тепловых или надтепловых нейтронов может быть измерен или оценен с помощью одного или более мониторов 20 нейтронов, расположенных на расстоянии от монитора нейтронов рядом с источником 18 нейтронов, или может быть оценен на основании других измерений формации 50.

Один или более факторов F могут содержать зависимость от затухания гамма-излучения вблизи детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Один или более факторов F могут содержать коррекцию для вариаций в затухании гамма-излучения в корпусе 16 инструмента, которое может происходить вследствие изменений среды и/или износа. Один или более факторов F могут содержать коррекцию для окружения скважинного инструмента 12, получаемого, например, из событий 60 захватов нейтронов, которые могут происходить в материалах, которые составляют скважинный инструмент 12. Один или более факторов F могут содержать оценку эффективного атомного числа элементов вблизи детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения, как определено посредством других скважинных измерений или с использованием других различных методик моделирования формации 50.

Один пример формулировки фактора F коррекции описан ниже в виде уравнения (3). Примерный фактор F коррекции, описанный в уравнении (3) может иметь зависимости от общего поперечного сечения (∑_F) захвата нейтронов формации, длины (L_s) замедления нейтронов, объемной плотности (ρ_b), поперечное сечение (∑_B) захвата нейтронов скважинного флюида, и диаметра (D_B) скважины, и может быть представлен следующим отношением:

(3)

где g1 и g2 зависят от D_B, g3 зависит от L_s, и g4 зависит от ∑_B.

Фиг.5 изображает блок-схему 96 для получения концентраций элементов формации 50. Этапы блок-схемы 96 могут в основном включать в себя обработку, которая может происходить в процессоре, встроенном в скважинный инструмент 12 и/или в систему 14 обработки данных. Конкретно, первый этап 96 может включать в себя получение абсолютного вклада элемента или парционного вклада элемента, который может быть определен в соответствии с блок-схемами 64 и 78 на фиг.3 и фиг.4. На этапе 98, характеристики, специфичные для оцениваемого элемента, могут быть учтены и применены к абсолютному вкладу элемента. Эти характеристики могут быть учтены вместе с элементо-зависимым фактором чувствительности, который может предполагать, например, поперечные сечения, множественности гамма-излучения, отклик детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения, и/или атомный вес. На этапе 100 различные физические свойства элементов, среды, и/или инструмента могут быть учтены путем применения правильного масштабирующего фактора. На этапе 102, на основании упомянутых выше соглашений, может быть получена парциальная плотность элемента формации 50.

Как отмечено выше, этапы 96-102 могут включать в себя обработку, которая может иметь место в процессоре, встроенном в скважинный инструмент и/или в систему 14 обработки данных. Конкретно, этапы с 96 по 102 могут быть выполнены путем вычисления, например, приведенного ниже уравнения (4). Парциальная плотность для заданного элемента i может быть описана как:

(4)

где S_i является элементо-зависимой чувствительностью, которая учитывает, среди прочего, поперечные сечения, множественности гамма-излучения, отклик детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения, и/или атомный вес, и f является масштабирующим фактором.

В качестве примера, масштабирующий фактор f может быть константой, определяемой из первого главного вычисления, которое может быть выведено из физических констант конкретного элемента (например, масса) и/или другой физической информации среды (например, объемная плотность). Дополнительно или в качестве альтернативы, масштабирующий фактор f может быть выведен, или содержать фракцию, из калибровки перед измерениями при конкретных заранее определенных или хорошо известных условиях. В одном варианте осуществления, фактор f может быть постоянной по всей глубине формации 50.

Для того чтобы позволить дополнительные корректировки для компенсации вторичных эффектов, не учтенных в расчете абсолютных вкладов A_i, как описано выше, масштабирующий фактор f может быть функцией, а не константой. Эффекты, которые могут быть учтены путем применения масштабирующего фактора f как функции, могут включать в себя, например, остаточные инструментальные эффекты наподобие дрейфа детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения и/или ухудшение разрешения. Дополнительно или в качестве альтернативы, такие эффекты дополнительно включают в себя эффекты среды, которые не были учтены ранее в вычислении абсолютных вкладов A_i из сырых данных измерений. В качестве примера, эффекты среды, которые могут возникнуть из-за температуры и/или давления, и которые не были учтены среди факторов F в уравнениях (1) и (2), могут быть учтены путем использования функции f масштабирующего фактора, который учитывает такие эффекты.

Определенные парциальные плотности элементов формации 50 могут быть проверены с использованием различных методик. В одном примере, сумма всех измеряемых парциальных плотностей ∑_i(ρ_F,i), связанных с формацией 50, может быть меньше или равна объемной плотности ρ_b формации 50, как описывается следующим отношением:

(5)

В основном, из-за того, что не все элементы формации 50 могут быть измерены с использованием описанных здесь методик, сумма всех измеряемых парциальных плотностей ∑_i(ρ_F,i) будет меньше объемной плотности ρ_b,eff формации 50 в большинстве случаев.

В другом примере, изображенном на блок-схеме 104 на фиг.6, определенные результаты концентраций элементов на основании абсолютных вкладов A_i могут быть проверены на непротиворечивость с использованием методик, использующих относительные вклады. Конкретно, на первом этапе 106 концентрация элемента в формации 50 может быть определена на основании методик, использующих абсолютные вклады, как описано выше. На втором этапе 108, концентрация элемента формации 50 может быть определена на основании методик, использующих элементарное замыкание или оксидное замыкание с относительными вкладами, как описано ниже со ссылкой на уравнения (6) и (7) и/или Уравнение (8). На этапе 110 концентрация элемента может быть проверена. В некоторых вариантах осуществления, этап 110 проверки может включать в себя комбинирование концентрации элемента, определенной на основании относительных вкладов, с концентрацией элемента, определенной на основании абсолютных вкладов, для получения средневзвешенного результатов, где взвешивание может быть постоянными или корректируемым на основании оценок достоверности.

Такие методики для оксидного замыкания могут быть использованы в качестве вторичной оценки концентраций элементов для проверки рассчитанных парциальных плотностей ρ_i на основании абсолютных вкладов A_i, как описано выше. Процедура оксидного замыкания может использовать данные спектроскопии захвата нейтронов наряду с независимыми измерениями алюминия (Al) и калия (K). Модель может допускать, что элементы формации 50, обнаруженные спектроскопическими измерениями захвата нейтронов, могут быть количественно связаны с их оксидами или с наиболее частой формой в формации, и что все оксиды в сумме дадут единицу. Модель принимает форму следующего отношения:

(6)

где X_i является фактором, который преобразует элемент в его оксид или в наиболее частое соединение (например, для Ca часто преобразуется в CaCO₃ вместо CaO), W является весовой долей элемента в формации, Y является относительным вкладом элемента, выведенным из спектра захвата, и S является заранее определенным измерением чувствительности, которое зависит от поперечного сечения захвата конкретного элемента, и чувствительности инструмента к характеристическому излучению этого элемента. После нахождения F, массовая доля каждого элемента может быть вычислена как:

(7)

Дополнительно или в качестве альтернативы, описанный выше подход может быть использован для спектра, получаемого из неупругого гамма-излучения 58. При использовании описанного выше подхода, несколько элементов могут быть измерены с использованием вкладов неупругого спектра. Эти вклады могут быть описаны как абсолютные вклады элементов с использованием нормализации по источнику 18 нейтронов. Такие элементы, как Al, Mg, Ca, Si, S могут быть представлены и в спектре неупругого гамма-излучения 58 и в спектре гамма-излучения 62. Использование абсолютных, скорректированных по среде, вкладов делает возможным комбинировать результаты из спектра неупругого гамма-излучения 58 и спектра гамма-излучения 62 захвата нейтронов, или использовать неупругий спектр как самостоятельное решение.

Способом, похожим на сравнение абсолютных и относительных спектральных вкладов вследствие гамма-излучения 62 захвата нейтронов, неупругие абсолютные вклады и неупругие относительные вклады, вследствие неупругого гамма-излучения 58, могут быть сравнены и, там где нужно, скомбинированы в средневзвешенный вклад. Дополнительно, абсолютные неупругие вклады вследствие неупругого гамма-излучения 58 и вклады захвата нейтронов вследствие гамма-излучения 62 захвата нейтронов для элементов, представленных и в неупругом спектре и в спектре захвата нейтронов, могут быть использованы для улучшения достоверности и точности полученного выше ответа. Коррекции среды для неупругих вкладов может также быть проще, поскольку неупругие вклады могут не испытывать влияния поперечного сечения захвата тепловых нейтронов формации 50 или скважины 52. Это делает неупругие вклады особенно ценными в присутствии высокой солености скважины 52 и связанного с этим высокого поперечного сечения захвата нейтронов.

Дополнительно или в качестве альтернативы, вторая модель замыкания может быть задействована для проверки рассчитанных парциальных плотностей ρ_i на основании абсолютных вкладов A_i, которая как правило используется в случаях, где доступны только данные спектроскопии захвата нейтронов, которая может быть описана в патенте США № 5471057, "METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING ELEMENTAL CONCENTRATIONS FOR GAMMA RAY SPECTROSCOPY TOOLS", который включен сюда по ссылке во всей своей полноте. Эта модель может быть идентична модели, проиллюстрированной уравнениями (6) и (7) выше, за исключением того, что она исключает выражения алюминия (Al) и калия (K). Дополнительно, эта модель модифицирует факторы (X_i) ассоциации для учета отсутствия измерений алюминия (Al) и калия (K), как описывается следующим отношением:

(8)

После получения концентрации элементов формации с помощью методики, включающей в себя абсолютные вклады, и получения концентраций элементов формации с использованием методики оксидного замыкания, два расчета могут быть сравнены друг с другом. После этого, концентрации элементов, определенные на основании абсолютных вкладов, могут быть объединены с концентрациями элементов, определенных на основании относительных вкладов и оксидного замыкания, для получения средневзвешенного от результатов. Это взвешенное среднее может иметь постоянный вес или доверительный-оценочный-скорректированный вес. Сравнение концентраций элементов на основании относительных вкладов и замыкания с концентрациями элементов на основании абсолютных вкладов может также быть использовано для определения масштабирующего фактора F путем сопоставления двух выведенных концентраций в известных или простых зонах, или на большой части общего измеренного региона.

Несмотря на то, что здесь были проиллюстрированы и описаны определенные признаки, специалистами в данной области методики могут быть выполнены много модификаций и изменений. Вследствие этого, следует понимать, что прилагающаяся формула изобретения предназначена для включения в себя всех модификаций и изменений, которые попадают в сущность настоящего раскрытия.