CN111119871A - 用于测量地层密度值的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量地层密度值的测量装置，包括：钻铤，所述钻铤的内部设有轴向贯穿的偏心流道，及与所述偏心流道相对的沿轴向延伸的U型槽；设置在所述偏心流道中且构造成圆柱形的电路骨架，在所述电路骨架的下部设有电路控制系统；设置在所述钻铤内的密度仓源，在所述密度仓源内放置有放射性元素，且以固定角度向周围地层发射伽马射线；嵌入式安装在所述U型槽内且构造成圆筒状的承压外壳，在所述承压外壳内设有用于接收经地层散射的伽马射线的密度探测器短节，在所述密度探测器短节的下端设有用于传输所测得的信号参数的信号传输系统，所述信号传输系统与所述电路控制系统相连。本发明还提供了一种测量地层密度值的测量方法。

Description

用于测量地层密度值的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体地涉及随钻测井技术，尤其是一种用于测量地层密度值的测量装置。本发明还涉及一种测量地层密度值的测量方法。

背景技术

在石油勘探开发过程中，需要对地层的地质信息进行测量，尤其是对地层的岩性和密度值的测量，这对计算地层孔隙度和分析储层具有重要意义。随着勘探开发技术的逐步深入，对地质信息测量参数结果的准确性要求越来越高。

然而，市面上常见的密度测量装置存在一些问题。例如，传统的密度测量装置不具备方位测量的特性，其仅通过放射性同位素137Cs向地层发射伽马射线，并通过长短源距探测器测量经地层散射回的伽马射线来计算密度值，传统的测量装置对周向没有分辨能力，不能进行方位探测。此外，传统的密度测量装置多通过机械或者液压推靠的方式使密度探测器贴合井壁，这样，电路中需要使用大功率的电机马达，从而大大增大了电路的功耗和复杂性，且大大降低了密度装置本身的可靠性。

发明内容

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于测量地层密度值的测量装置，该测量装置能够准确有效地测量地层中不同方位上的岩性密度值，且其结构简单，电路功耗低，安全可靠。

本发明还提出了一种测量地层密度值的测量方法，该测量方法使用上述的测量装置进行测量，其测量结果精确性高。

为此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量地层密度值的测量装置，包括：钻铤，所述钻铤的内部设有轴向贯穿的偏心流道，且在所述钻铤的与所述偏心流道相对的侧壁上设有轴向延伸的U型槽；设置在所述偏心流道中且构造成圆柱形的电路骨架，所述电路骨架的内部设有轴向贯穿的偏心通道，在所述偏心通道内设有用于导流钻井液的导流管，且在所述电路骨架的下部设有电路控制系统；设置在所述U型槽的上部的密度仓源，在所述密度仓源内放置有放射性元素，并以固定角度向周围地层发射伽马射线；嵌入式安装在所述U型槽内且构造成圆筒状的承压外壳，在所述承压外壳内设有用于接收经地层散射的伽马射线的密度探测器短节，在所述密度探测器短节的下端设有用于传输所测得的经地层散射的伽马射线的信号参数的信号传输系统，所述信号传输系统与所述电路控制系统相连以将测得的信号传输给所述电路控制系统，从而计算分析得到地层密度值。

在一个优选的实施例中，所述密度探测器短节包括自上而下依次设置在所述承压外壳内用于探测接收信号的短源距晶体探测器、短源距光电倍增管、长源距晶体探测器和长源距光电倍增管。

在一个优选的实施例中，所述信号传输系统包括前置放大电路和与所述前置放大电路连接的高压控制电路，所述前置放大电路与短源距晶体探测器和所述长源距晶体探测器连接，所述高压控制电路与所述采集控制存储电路连接。

在一个优选的实施例中，所述电路控制系统包括：用于对测量参数进行校正的间隙测量电路和方位测量电路，所述间隙测量电路用于测量井眼直径及所述测量装置与井壁间隙，所述方位测量电路用于测量方位信息，且所述测量电路将井眼周围地层平均分成16个扇区信号进行测量，以及用于处理探测到的信号且与所述间隙测量电路和所述方位测量电路连接的采集控制存储电路，和用于给所述间隙测量电路、采集控制存储电路及所述方位测量电路提供符合要求的电源电压的电源控制电路。

在一个优选的实施例中，所述密度仓源与所述钻铤的中心轴线呈一定角度倾斜设置。

在一个优选的实施例中，所述密度仓源的周围覆盖有用于吸收散射伽马射线的屏蔽体，所述屏蔽体采用钨镍铁材料制成。

在一个优选的实施例中，所述承压外壳通过承压插头与所述电路骨架连接。

在一个优选的实施例中，在所述钻铤的对应于所述承压外壳的径向外侧固定安装有防磨盖板，且在所述钻铤的与所述防磨盖板相对的径向外侧设有扶正防磨盖板。

在一个优选的实施例中，在所述防磨盖板的对应于所述短源距晶体探测器和所述长源距晶体探测器的区域，分别设有用于接收经地层散射的伽马射线的短源距窗口和长源距窗口，所述短源距窗口和长源距窗口均采用铍和/或钛材料制成。

根据本发明的第二方面，提供了一种测量地层密度值的测量方法，该方法使用如上所述的测量装置，包括以下步骤：

将所述测量装置下放到井眼中，并通过所述密度仓源内的放射性元素向周围地层定向发射伽马射线；

通过所述密度探测器短节接收经地层散射后的伽马射线，接收到的伽马射线信号通过所述信号传输系统处理后传递给所述采集控制存储电路，同时将所述间隙测量电路、和所述方位测量电路的测量信号传递给所述采集控制存储电路；

所述采集控制存储电路分析处理采集到的信号参数，并传送到地面系统通过相关计算得到地层的岩性和密度值。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的用于测量地层密度值的测量装置的轴向剖视图。

图2显示了图1所示测量装置中的A-A位置的径向剖视图。

图3、图4和图5分别显示了图1所示测量装置中的电路骨架的三个不同视角的示意图。

图6显示了图1所示测量装置的信号的控制流程示意图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的用于测量地层密度值的测量装置下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，而将远离井口的一端定义为下端或相似用语。

图1显示了根据本发明的用于测量地层密度值的测量装置100的轴向剖视图。图2显示了测量装置100的A-A位置的径向剖视图。测量装置100包括用于连接其它钻井工具的钻铤110如图1和图2所示，钻铤110构造成圆柱形，在钻铤110的内部设有轴向贯穿的偏心流道111。在钻铤110的与偏心流道相对的侧壁上设有轴向延伸的U型槽112。在偏心流道111中设有电路骨架120，电路骨架120构造成圆柱形，且电路骨架120的内部设有轴向贯穿的偏心通道121。在电路骨架120的下部设有电路控制系统130，电路控制系统130用于检测及处理信号。在电路骨架120的偏心通道121内设有导流管122，导流管122用于将钻井液从地面导流给钻头。

根据本发明，钻铤110中至少设有一个用于安装导流管122的偏心流道111，以导流钻井液从地面到钻头。

此外，在钻铤110的处于U型槽112的上部的侧壁上设有密度仓源140。在图1所示实施例中，密度仓源140与钻铤110的中心轴向呈一定角度倾斜设置。在密度仓源140内放置有放射性元素以作为测量装置100的放射源，且密度仓源140以固定角度向周围地层发射伽马射线。在一个实施例中，在密度仓源140内放置2居里的发射性137Cs源以作为放射源。

在本实施例中，在密度仓源140的四周覆盖有用于吸收散射伽马射线的屏蔽体141。优选地，屏蔽体141采用高密度的钨镍铁材料制成，且钨镍铁材料的厚度根据实际工况设置。屏蔽体141能够有效屏蔽非射入地层的散射伽马射线以降低对测量结果的影响。

根据本发明，在U型槽112内嵌入式安装有承压外壳150。如图1所示，承压外壳150构造成圆筒状。在一个实施例中，承压外壳150的下端通过承压插头151与电路骨架120连接。在承压外壳150内设有用于探测接收经地层散射的伽马射线的密度探测器总成，其包括密度探测器短节160和设置在密度探测器短节160的下端的信号传输系统170。信号传输系统170与密度探测器短节160连接，其用于传输所测得的经地层散射的伽马射线的信号参数，且信号传输系统170与电路控制系统130相连。密度探测器短节160包括自上而下依次设置在承压外壳150内的短源距晶体探测器161、短源距光电倍增管162、长源距晶体探测器163和长源距光电倍增管164。在一个实施例中，短源距晶体探测器161和长源距晶体探测器163选用NaI闪烁晶体探测器。密度探测器短节160通过短源距晶体探测器161和长源距晶体探测器163接收经地层反射和散射的伽马射线。

在本实施例中，信号传输系统170包括前置放大电路171和与前置放大电路171连接的高压控制电路172。前置放大电路171与短源距晶体探测器161和长源距晶体探测器连接163连接，用于传输密度探测器短节160所测得的经地层散射的伽马射线的信号参数。

根据本发明，在钻铤110的外壁上设有防磨盖板180和扶正防磨盖板190。如图2所示，防磨盖板180固定安装在钻铤110的对应于承压外壳150的径向外侧，扶正防磨盖板190固定安装在钻铤110的与防磨盖板180相对的径向外侧，且防磨盖板180和扶正防磨盖板190径向向外凸出。同时，在防磨盖板180的对应于短源距晶体探测器161和所述长源距晶体探测器162的区域，分别设有用于接收经地层散射的伽马射线的短源距窗口181和长源距窗口182。在一个实施例中，短源距窗口181和长源距窗口182均采用铍和/或钛材料制成。突出的防磨盖板181能够使测量装置100更好的与井壁贴合，从而提高实际测量数据的准确性。同时。扶正防磨盖板182能够起到辅助作用，在实际施工过程中，选择性的使用扶正防磨盖板182。

根据本发明，防磨盖板180上的短源距窗口181和长源距窗口182的大小，以及源距的大小根据密度仓源140内放置的137Cs放射源在不同地层条件下的伽马场分布来确定。

由于地层对伽马光子的散射和吸收能力随着地层密度的变化而变化，因此，密度探测器短节160记录的反射光子的读数随着地层密度的不同而不同。且由于地层中的电子密度和电子密度指数与康普顿线性衰减系数成正相关关系，由此，能够通过测量电子密度得到与地层岩性的对应关系。在测井过程中，仍然会受到环境因素的影响，因此，需要通过电路控制系统130对测量参数进行校正，以得到准确的地层信息。

图3、图4和图5分别显示了电路骨架120的三个不同视角的示意图。如图3、图4和图5所示，电路控制系统130设置在电路骨架120的下部。电路控制系统130包括依次固定安装在电路骨架120的下端外壁上的间隙测量电路131、采集控制存储电路132、方位测量电路133和电源控制电路134。电路控制系统130通过方位测量电路133和间隙测量电路131对测量参数进行校正。电源控制电路134用于给间隙测量电路131、采集控制存储电路132和方位测量电路133供电。电源控制电路134由中控系统或者地面系统提供供电输入，并输出合适的电源电压。输出的电源电压需要符合间隙测量电路131、采集控制存储电路132、方位测量电路133的需求。测量装置100随时保证整个电路控制系统130的供电处于正常状态，同时，记录测井仪器的电压、电流值，从而有利于对各个电路部分的功耗进行监测，用以确保采集数据是在正常供电环境下得到的，同时，还能够用来调整优化测量装置100的供电系统。

在本实施例中，间隙测量电路131用于测量井眼直径及测量装置100与井壁之间的间隙。间隙测量电路131包括超声波井径探头和密度测量探头。间隙测量电路131通过超声波探头测量井眼直径以及测量装置100与井壁之间的间隙，从而调整由信号主放大与能谱采集模块得到的密度值以及Pe(光电吸收指数)值。在一个实施例中，超声波井径探头和密度测量探头设置在同一轴向上，这样，能够准确的探测到密度探头和井壁的贴合情况，以进行岩性和密度值补偿。

根据本发明，方位测量电路133用于能谱的划分以测量方位信息。方位测量电路132将井眼周围地层平均分成16个扇区进行测量。由此，将井眼地层以每22.5°分配一个扇区信号Φa，结合采集到的地层岩性密度数据，从而能够实现地层的方位密度成像测量。在旋转测量模式下，各个扇区由传统密度计算公式求得，计算过程如下：

ρ_b＝ρ_a+Δρ

ρ_a＝AlnLSD+BlnSSD+C

Δρ＝DlnLSD+ElnSSD+F

ρ_c＝ρ_b+σ

其中，A为长源距计数率对密度值ρ_a的贡献系数，B为短源距计数率对密度值ρ_a的贡献系数，C为密度值ρ_a的偏离系数，D为长源距计数率对密度校正值Δρ的贡献系数，E为短源距计数率对密度校正值Δρ的贡献系数，F为密度校正值Δρ的偏离系数，σ为间隙校正系数，ρ_c为校正后的真实密度值。

在本实施例中，在旋转测量模式下，每测得一组计数值，需要加上相应的扇区信号Φa(a＝0～16)，然后在间隙补偿参数的作用下，计算得到该扇区的真实密度值。

根据本发明，采集控制存储电路132以FPGA(现场可编程逻辑门阵列)为核心。电源控制电路134给整个采集控制存储电路供电，FPGA通过高压控制电路与高压模块相连。密度探测器短节160中的短源距晶体探测器161和长源距晶体探测器163与前置放大电路171相连，并通过脉冲调理、峰值检测和A/D转换电路与FPGA相连，从而将接受的经地层散射的伽马射线信号传输给采集控制存储电路132进行分析处理。间隙测量电路131和方位测量电路133的信号同步送入采集控制存储电路132进行处理，采集控制存储电路132中的FPGA通过调制解调器、总线隔离控制器与外部电源控制电路134连接，同时连接到存储器RAM中。由此，通过采集控制存储电路132对间隙测量电路131和方位测量电路133的信号进行分析处理。

根据本发明，在钻铤110内还设有沿轴向贯通的导线孔(未示出)，导线孔用于布置信号总线以将测量装置100中的电路系统与地面系统连接。在一个实施例中，测量装置100的电路系统中的电路板安装在电路骨架120上，且采用多孔和密封高温防震胶相结合的方式安装。

根据本发明，还提供了一种测量地层密度值的测量方法，该测量方法使用根据本发明的用于测量地层密度值的测量装置100进行测量。图6显示了测量装置100的信号接收、处理、采集、存储的控制流程示意图，下面结合测量装置100的流程示意图简述该测量方法的流程。

首先，将测量装置100下放到井眼中，并通过密度仓源140内的放射性元素向周围地层定向发射伽马射线。同时，给测量装置100通电，由此，电源控制电路134在总线隔离控制器和调制解调器的作用下，给采集控制存储电路132中的FPGA供电。在旋转测量模式下，密度探测器短节160接收经地层散射后的伽马射线。之后，将接收到的伽马射线信号通过信号传输系统170中的前置放大电路171和高压控制电路172进行信号处理。在高压控制电路172的作用下输出信号经过脉冲调理电路的作用，主要是完成信号的放大、滤波、基线恢复和门槛控制等处理，以输出符合要求的信号，在经过峰值检测电路和AD转换电路的处理后得到伽马射线信号，并将其传递给采集控制存储电路132中的FPGA。同时，将间隙测量电路131和方位测量电路133的测量信号一同传送给采集控制存储电路132的FPGA中进行处理并进行数据压缩。之后，将采集到的信号参数传送到存储器中。将要上传的信号数据经过调制解调器变为特定的信号后，在总线隔离控制器的作用下，经信号总线送到地面系统。最后，通过相关计算得到地层密度值。

根据本发明的用于测量地层密度值的测量装置100，能够通过密度仓源140内的放射性元素向周围地层定向发射伽马射线。密度探测器短节160接收经地层散射后的伽马射线，并通过信号传输系统170进行处理，以保证接收信号的可靠性，从而提高了测量装置100的测量结果的准确性。测井过程中，通过电路控制系统130中的方位测量电路133和间隙测量电路131能够准确判断测量装置100与井壁的贴合情况，并进行岩性和密度值补偿，能够有效地对测量参数进行校正，以减少环境因素对测量结果的影响，从而得到准确的地层真实信息，有效保证了测量装置100的测量结果的准确性。方位测量电路133通过能谱的扇区划分将井眼地层划分为16不同扇区进行不同方位信息的测量，结合扇区信号把测量装置100测得的地层的岩性和密度值转换为360°成像。由此，通过方位测量能够准确有效地测量地层中不同方位上的岩性和密度值，显著提高了测量装置100的测量的准确性。此外，测量装置100结构简单，电路功耗低，安全可靠。通过根据本发明的用于测量地层密度值的测量装置100进行测量，能够准确地得到地层的岩性和密度值，其测量结果精确性高。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测量地层密度值的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

钻铤(110)，所述钻铤的内部设有轴向贯穿的偏心流道(111)，且在所述钻铤的与所述偏心流道相对的侧壁上设有轴向延伸的U型槽(112)；

设置在所述偏心流道中且构造成圆柱形的电路骨架(120)，所述电路骨架的内部设有轴向贯穿的偏心通道(121)，在所述偏心通道内设有用于导流钻井液的导流管(122)，且在所述电路骨架的下部设有电路控制系统(130)；

设置在所述U型槽的上部的密度仓源(140)，在所述密度仓源内放置有放射性元素，并以固定角度向周围地层发射伽马射线；

嵌入式安装在所述U型槽内且构造成圆筒状的承压外壳(150)，在所述承压外壳内设有用于接收经地层散射的伽马射线的密度探测器短节(160)，在所述密度探测器短节的下端设有用于传输所测得的经地层散射的伽马射线的信号参数的信号传输系统(170)，所述信号传输系统与所述电路控制系统相连以将测得的信号传输给所述电路控制系统，从而计算分析得到地层密度值。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述密度探测器短节包括自上而下依次设置在所述承压外壳内用于探测接收信号的短源距晶体探测器(161)、短源距光电倍增管(162)、长源距晶体探测器(163)和长源距光电倍增管(164)。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述信号传输系统包括前置放大电路(171)和与所述前置放大电路连接的高压控制电路(172)，所述前置放大电路与所述短源距晶体探测器和长源距晶体探测器连接，所述高压控制电路与所述采集控制存储电路连接。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电路控制系统包括：用于对测量参数进行校正的间隙测量电路(131)和方位测量电路(133)，所述间隙测量电路用于测量井眼直径及所述测量装置与井壁间隙，所述方位测量电路用于测量方位信息，且所述测量电路将井眼周围地层平均分成16个扇区信号进行测量，以及用于处理探测到的信号且与所述间隙测量电路和所述方位测量电路连接的采集控制存储电路(132)，和用于给所述间隙测量电路、采集控制存储电路及所述方位测量电路提供符合要求的电源电压的电源控制电路(134)。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述密度仓源与所述钻铤的中心轴线呈一定角度倾斜设置。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述密度仓源的周围覆盖有用于吸收散射伽马射线的屏蔽体(141)，所述屏蔽体采用钨镍铁材料制成。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述承压外壳通过承压插头(151)与所述电路骨架连接。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，在所述钻铤的对应于所述承压外壳的径向外侧固定安装有防磨盖板(180)，且在所述钻铤的与所述防磨盖板相对的径向外侧设有扶正防磨盖板(190)。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，在所述防磨盖板的对应于所述短源距晶体探测器和所述长源距晶体探测器的区域，分别设有用于接收经地层散射的伽马射线的短源距窗口(181)和长源距窗口(182)，所述短源距窗口和长源距窗口均采用铍和/或钛材料制成。

10.一种测量地层密度值的测量方法，其特征在于，使用根据权利要求1到9中任一项所述的测量装置，包括以下步骤：

将所述测量装置下放到井眼中，并通过所述密度仓源内的放射性元素向周围地层定向发射伽马射线；

通过所述密度探测器短节接收经地层散射后的伽马射线，接收到的伽马射线信号通过所述信号传输系统处理后传递给所述采集控制存储电路，同时将所述间隙测量电路、和所述方位测量电路的测量信号传递给所述采集控制存储电路；

所述采集控制存储电路分析处理采集到的信号参数，并传送到地面系统通过相关计算得到地层的岩性和密度值。

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