CN1270270A - 根据中子孔隙度测量结果导出钻孔直径 - Google Patents

Abstract

公开了钻入地层的钻孔直径的测量系统。此系统采用中子源和至少一中子探测器。探测器在由中子源辐照后主要响应钻孔与地层内物质的复合氢含量。采用分配响应函数来描述从此钻孔与地层获得的这部分探测器响应。由于得自钻孔的探测器响应能用分配函数孤立而一般可知钻孔液中的氢含量,若结合地层的中子孔隙度测量结果,就可由此合成的探测器响应的钻孔响应部分来测定钻孔直径。中子孔隙度测量可以独立地获得,或可以通过使此中子探测器响应与距此中子源在不同轴向间距处的第二中子探测器的响应相结合而获得。本系统可用于随钻测井和钢绳测井作业。

Description

根据中子孔隙度测量结果导出钻孔直径

本发明针对钻入地层的钻孔径向尺寸或“直径“的测定，具体针对由中子辐照地层并测量钻孔中的中子通量来测定孔径。本发明可以具体用于在钻孔的同时来测量孔径，或是在钻孔完成后作为一个钢绳测井系统来测量孔径。

对于钻探井孔，在测量由钻孔钻得的地层参数中，以及对于在钻孔后完成井时，精确的钻孔孔径数据都是重要的。

在烃生产的典型的钻孔中，钻柱是由通过螺纹接箍增设到其上的钻杆段或“管节”形成，并以钻头终结。钻柱由相应工艺中的周知装置转动，同时通过钻头的切削作用推进钻孔。钻头用于钻孔操作会变钝而需定期更换。更换钻头时需要顺序地卸下钻杆的管节而将钻柱从钻孔中拉出或“抽出”。从钻孔作逐步提升时获得的钻孔孔径数据可以用来监控井身的状态，如钻孔冲蚀的初期迹象和紧急的井身不稳定性。孔径的信息能让司钻在钻孔作业中采取补救措施，以防钻孔和钻孔设备受损或灾难性的损失，甚至使钻孔人员丧生。

作为深度函数的地层参数的测量结果，通常称作为地层“钻进记录”，可在以后通过钢绳输送仪表而于钻孔中取得，或可以通过钻柱输送仪表而在钻孔的同时取得。这些技术一般分别称为“钢绳测量”和“随钻测井(LWD)”。钢绳和LWD测量应用钻孔的孔径数据对于与井孔径向尺寸有关的各种效应，校正所测的参数。例如，绝大多数先有技术中子孔隙度、散射r射线密度以及电阻率型等的测井系统，它们在响应乃是钻孔尺寸的函数，因而必须相对于钻孔尺寸效应进行校正，以获得所需地层参数的最佳测量结果。

一旦钻孔已钻到所需深度，通常便以一列钢管“完工”，围绕钢管用泵排灌水泥，由此而填满管-钻孔的环隙。在确定完工的要求例如确定为合适地给套管注水泥而要求的水泥量时，孔径的信息是非常有用的。

已设计出许多的钢绳和LWD测井系统来使钻孔尺寸的影响最小化。基本的方法是在系统的孔下“工具”部分中应用两或多个沿轴向分开的传感器。各传感器以不同的程度响应钻孔尺寸，并将这种响应组合以使钻孔的影响减至最小。例如1960年代曾引入双探测器中子孔隙度钢绳系统，目的在于最大限度减少测量地层孔隙度时钻孔尺寸的影响。这种系统描述于1963，12，3授予S.Locke的美国专利NO.3483376中。用两个热中子探测器沿轴向与快中子源分开不同的距离。这两个探测器的响应比随地层孔隙度变化，但与根据这两个独立的探测器任一个获得的计数率相比较，则对钻孔的参数的敏感程度稍差。这一响应比于是便成为用来计算孔隙度的测量参数。为了改进精度，对根据这种比值算出的孔隙度进行了校正。与单探测器系统相比，双探测器系统尽管要小得多，但能有效地校正钻孔直径，而要是能利用到有效的钻孔测径仪时，还能使校正值量化。为了组合传感器的响应，采用过较高级的算法。再以采用双探测器中子孔隙度系统为例，1983，12，27授予Darwin V.Ellis与Chorles Flaum的美国专利NO.4423323对于各中子探测器的计数率应用了一般称作为“脊和肋”和解释，以便不用独立的钻孔孔径信号而求得钻孔尺寸不变量的孔隙度测量结果。这种算法较为复杂，而能够据此求得可靠补偿的钻孔直径变化范围也相对受到限制。

各种钢绳钻孔测径器件曾用来并在今天仍然用来与对钻孔尺寸敏感的钢绳测井技术相结合，以提供对钻孔直径的测量，据此来计算钻孔尺寸的校正值。由例如1960年代以商品形式引入而且是相关技术中周知的垫安装的散射r射线密度工具的垫型工具的铰接臂，制得了一种测径仪。这种测径仪只测量一种径向尺寸，这在非圆形钻孔中通常是主径向轴线。另一种先有技术的钢绳测径仪则利用多臂装置的测量结果。这类装置可以是“独立的”测径仪工具。或者，可以从其他类型的测井工具如多臂信息浸渍工具来根据臂的位置求得钻孔孔径信息。多臂装置与单臂装置相比产生了更具代表性的钻孔尺寸测量结果，但其机械结构极其复杂，难以在苛刻的钻孔条件下有效的操作，难以保持校准结果且制造价格昂贵。

先有技术的LWD系统，与其钢绳的对应部分相同，对钻孔尺寸是敏感的。需要有精确的孔径信息来恰当地校正从这些系统中求得的参数测量结果。易知臂型的钢绳测径仪不适用于LWD，这是因为钻柱通常是转动的，而与钻入的地层结合的臂将因这种转动迅即断裂，因此必须用其他的基本方法进行LWD测径。

为了在LWD系统中求得孔径尺寸已应用过种种方法。根据钻头直径、钻井液的泵抽压力以及所钻入的地层的力学性质，可以求得估值。但这种方法至多只能对钻头邻近的孔径提供大致的估值，这是由于地层和钻探的力学状态可以迅速改变。不采用专用的LWD测径系统，还采用过其他的方法以求可靠地测定孔径。一般地说，这些方法组合了来自多种对钻孔几何参数显示出不同敏感度的LWD装置的数据。另外的这类LWD装置可以包括周知的散射r射线密度装置和响应钻孔不等的径向深度与地层邻区情形的电阻率装置。综合这些装置的响应提取出钻孔信息，同时根据这些响应求出钻孔的校正值。另一方面，这种测量钻孔孔径和对于钻孔效应校正测量结果的方法一般而论是不可靠的。此外，为了实施这种方法，还必须采用一套较复杂的LWD装置。

1992，12，29授予Hugh E.Hall.Jr等的美国专利NO.5175429，提出了作为核子LWD测量结果的工具支架补偿法的钻孔测径法，其中为获得所需的工具支架补偿或钻孔尺寸补偿，不需要独立的钻孔测径仪或任何其他的子系统。对从一批核子探测器获得的计数率加以存储，并存储于作为表现仪器支架的函数的“储器”中。控测器的响应作为能级的函数考察，为此要求钻孔仪表具有能谱记录本领。所要求的这些特点大大地增加了钻孔仪器的复杂性，增加了对LWD遥测系统的需求，同时需有较复杂的解释算法。

专用于钻孔测径的绝大多数先有技术的LWD系统通常采用声学方法。具体地说是用声学方法来改进在中子孔隙度邻区和可能要求校正钻孔尺寸的其他LWD系统中对钻孔孔壁位置的测量。这种专用的钻孔声学测径器通常由位于LWD仪表周边上的一或多个变频器沿径向发出高频声脉冲。横向进入钻井液中的这些声学信号于钻孔壁上被反射，再次沿横向加入钻井液中作为此能量的一部分而返回LWD仪表。测量出声脉冲发射和探测到此反射回脉冲之际其间的时间。要是钻井液的声学性质已知，就可根据测量出的声波传播时间计算出至钻孔壁的距离。与前面讨论过的方法相比，这是一种用来“测量”钻孔“孔径”的较精密的方法，但是它是有缺点的。声学测径方法需要较复杂的且必须在苛刻的钻井环境下操作的另设的LWD系统。这样就降低了LWD组件的可靠性、增加了操作费用及其制造费用。此外，在那种“噪声”的钻井环境中是难以取得任何类型的可靠的声学测量结果的。再有，一旦取得了钻孔的径向轮廓后，就必须借数学方法进行这种测量，以便对特定的LWD系统进行钻孔校正，使径向轮廓与此系统的方位响应系数匹配。

1998，6，16授予Michael L.Evans的美国专利NO.5767510公开了一种钻孔不变量孔隙度系统，现引用于本说明书中供参考。这一系统可以具体体现于LWD系统或钢绳系统中，目的在于只利用距快中子源“近”与“远”分开的探测器的响应来提供钻孔尺寸不变量的中子孔隙度测量，这里不需要独立的钻孔孔径测量。如上所述，通过根据探测器响应的简单比来计算孔隙度，至少是在第一个数量级的水平上，克服了钻孔尺寸、钻孔形状以及仪表在钻孔中径向位置的干扰影响。但是这种比例方法并未提供完全的钻孔尺寸补偿。通过修正近探测器计数率对远探测器计数率的比，可以对钻孔影响求得进一步的补偿。已求得了远探测器计数率的函数，由此可以求得近探测器响应和修正的远探测器响应，后者在工具的正常工作范围内显示出接近一致的表现径向灵敏度。获得的结果是，近探测器计数率对修正的远探测器计数率之比随地层而变化，但它对于径向扰动如钻孔直径的变化基本上不敏感。尽管Evans的系统所产生的孔隙度测量结果不需测径仪来对于钻孔尺寸校正孔隙度的测量结果，但此系统并未分开用来根据工具的响应产生井径测量的方法。

根据上面对背景材料的讨论，本发明的一个目的在于提供这样一种钻孔测径系统，它不需铰接的机械臂，并可具体用于LWD系统和钢绳系统。本发明的另一个目的在于提供这样一种井径测量结果，它可以根据LWD系统或钢绳测井系统中设置的一或多个传感器的响应来求得，并可用来对由钻孔而钻入的地层的性质进行其他测量。本发明的再一个目的在于利用双探测器中子孔隙度系统内的中子探测器的响应，同时地产生地层孔隙度的测量，校正钻孔尺寸，随后应用校正的地层孔隙度来求得钻孔井径记录图。

本发明的另一优点在于根据中子孔隙度系统的一探测器的响应，再结合测量地层中子孔隙度的另一种LWD或钢绳系统独立测得的地层孔隙度，来提供钻孔的井径记录图。本发明再一个优点在于根据对氢指数的响应，结合地层孔隙度的独立测量结果，来提供钻孔的孔径记录图。本发明还有着其他的目的和用途，这可以得知于下面所公开的内容。

本发明涉及通过将单一的井下传感器的响应与实际地层孔隙度的知识相结合，来提供钻入地层的钻孔的井径记录图。

在讨论本发明的背景技术时，在几个解释性的例子中都用到了双探测器中子孔隙度测井系统。此系统的井下“工具”部分能够由钢绳或钻柱传送，通常包括快中子源和一或多个中子探测器。中子源发出的中子与地层的核和钻孔的流体相互作用，使这些中子的一部分回到钻孔中并碰撞这一或多个探测器。

中子探测器的响应是地层和钻孔流体速度降低的程度或中了源发射减慢的快中子的程度的函数。这种减速本身是同与中子反应的核的原子量成反比。于是，中子孔隙度的测度主要受钻孔内流体和井下中子孔隙度测量工具周围地层的氢浓度或“氢指数”的支配。地层和钻孔在探测器响应时的相对影响主要取决定于探测器离中子源的轴向间距，但对于选定的工具设计下则是固定的。氢指数常记作“HI”。对钻孔和地层区的探测器相对响应或响应“分配”是由一系列试验确定的，在这列试验中，钻孔的直径改变而钻孔的所有其他条件和地层的条件不变。要是独立地测定了地层区的氢指数，则探测器响应可以与响应分配结合以确定探测器的来自钻孔区的响应，此响应是钻孔流体的氢指数和钻孔直径的函数。钻孔流体通常是已知组份的钻探泥浆或已知盐度的水，因此钻孔流体的氢指数通常是已知的或易于测定的。得知的钻孔流体的氢指数然后与起因于钻孔区的探测器响应结合，产生钻孔直径或井径仪的测量结果。

所用的设备通常包括单一的井下传感器，它对氢指数作出响应，而对于它，地层钻孔分配函数是已知的。所需要的对“真实”地层孔隙度的独立测定，可以从据此能获得地层中子孔隙度的任何类型的测井系统求得。

上面谈及的中子孔隙度系统公开了授予Evans的美国专利NO.5767510中，它特别适用于本发明。此系统包括快中子源以及与此中子源沿轴向分开的近和远的中子探测器。通过改进近探测器响应对远探测器响应的比，显著地改进了钻孔效应的补偿。此结果是近探测器计数率对改进过的远探测器的随地层而变化的计数率之比，但此比值对钻孔直径的变化基本上不敏感。地层的孔隙度根据此改进了的比值计算而不需测径仪的信息。地层钻孔分配函数于是便为探测器之一所确定，且最好是对于近探测器来确定，因为近探测器更能响应钻孔流体。然后将近探测器计数率与分配函数、从上述改进的比求得的实际地层孔隙率、以及用于求出钻孔直径量度的钻孔流体氢指数的先有知识相结合。

本发明能具体用于钢绳测井系统或LWD系系统。中子源最好是同位素型或“化学”型的发射连续中子流的中子源。另一些中子源包括以稳态方式工作的加速器型中子源，或是以脉冲方式工作的其中中子源探测器按较大的脉冲周期数平均时间响应的加速器型中子源。

本发明是针对测量钻透地层的钻孔直径的。但应知本发明也可用于测量穿透任何类型材料任何类型钻孔的直径，只要是(a)此钻孔含有均匀的流体，以及(b)此材料的中子孔隙度是已知的。要是这种材料只在孔隙中含有氢，则任何类型的材料孔隙率测量产生的部分或百分孔隙率都可用于这种钻孔直径测定。材料例如在粘土中所见到的任何化学键合的氢，就必须对此材料应用中子孔隙度材料以便获得精确的钻孔直径测量结果。

为了能详细地了解本发明的上述特点、优点与目的所实现的方法，通过参考以附图阐明的实施例，当可掌握已简括于上的本发明的更具体的说明。

但应认识到，这些附图只示明了本发明的典型实施例，因而不应视之为本发明范围的限制，因为本发明是可以允许有其他等效的实施形式的。

图1概示构型如双探测器中子孔隙度系统且具体体现于LWD钻孔工具的钻孔测径系统中。

图2是流程图，示明了结合探测器计数率、实际地层孔隙率和环境校正以获得钻孔测径结果的步骤。

图3a是在对环境因素校正后根据双探测工具响应计算出的实际地层中子孔隙度的测井图表。

图3b是通过结合环境校正过的双探测器中子孔隙度系统的“实际”地层孔隙度与近探测的计数率以及环境因素的校正所求得的相应的井径记录图。

图4概示构型如双探测器中子孔隙度系统且具体体现于为钢绳钻孔探测器的钻孔测径系统中。

图5是应用单一探测器的钻孔测径工具，这里的工具能够具体体现于LWD或钢绳测井系统中。

下面分五个部分公开本发明的最佳实施例。第一部分提供用来公开本发明基本概念的数学体系，第二部分说明实施本发明所需的设备，而第三部分汇总数据处理方法。第四部分阐述由本发明获得的结果，而第五部分则论述本发明的另一些实施例。

1.数学体系

如上所述，钻孔直径的计算需要掌握实际地层的中子孔隙度。尽管可以根据许多的来源获得地层的中子孔隙度，但前面谈及的双探测器，Evans的钻孔不变系统能理想地用来与本发明结合。下面简述Evans的公开内容，孔隙度是根据下述关系计算：

(1)φ＝f(R)

其中

(2)R＝Ns(φ)/Fs(φ)

且其中

φ＝孔隙度而孔隙度单位为(p.u.)

f(R)＝比例对孔隙度的变换函数，

Ns(φ)＝孔隙度φ的“标准”地层的近探测器计数率，在标准钻孔条件下；以及

Fs(φ)＝孔隙度φ的“标准”地层的远探测器计数率，在标准的钻孔条件下。

正如Evans的专利中所公开的，量R实际上是“标准”钻孔和地层条件下的近对远探测器计数率之比。式(1)中所定义的探测器比R与孔隙度φ的关系，或是由数学模拟所述工具在标准地层和钻孔条件下的响应，或是通过测量在标准地层和钻孔条件下的响应，或是通过结合数学模型与测量结果而确定的。

孔隙度装置在其中运转的所有钻孔肯定是非“标准的”。非标准的钻孔条件或是非标准的钻孔条件与非标准地层条件的结合，会改变此远与近的计数率。现在只考虑非标准钻孔条件。它们可以表示为

(3)N(φ)＝Ns(φ)^{a(d，ms，mw)}

与

(4)F(φ)＝Fs(φ)^{b(d，ms，mw)}

式中：

N(φ)＝非标准钻孔的近探测器计数率

F(φ)＝非标准钻孔的远探测器计数率

a(d，ms，mw)＝与标准和非标准钻孔中近探测器计数率有关的函数；

b(d，ms，mw)＝与标准和非标准钻孔中远探测器计数率有关的函数；

d＝钻孔直径(英寸)；

ms＝钻井液的盐(Nacl)百万分数浓度(ppm，Nacl)；

mw＝钻井液每加仑的磅重(1b/ga1)。

将式(3)与(4)代入式(2)，得到

(5)R＝N(φ)/(F(φ)^{x(d，ms，mw)})

式中

(6)X(d，ms，mw)＝a(d，ms，mw)/b(d，ms，mw)。

应知以上参数可以表示为其他单位，如钻孔直径d可以表示为mm或cm。实际上，式(5)中所表示的近探测器对远探测器计数率之比乃是先前讨论到的改进的计数率比。具体地说，将分母(远计数率)提高X(d，ms，mw)倍，就能有效地将非标准条件下所测的近/远比“规范”成将会于标准钻孔条件下所能获得的相应的比。这一修正的或规范化的比，当用于式(4)的函数中时将产生已对非标准钻孔条件校正的孔隙率值中。业已发现，式(5)中的修正比对于直径约8～约12英寸的钻孔直径是一个不变量。用这一比值和式(1)定义的函数计算出的孔隙度值因此将自动地对钻孔直径校正。

根据式(5)的改进的近/远比算出的孔隙度值是钻孔的不变的孔隙度(BIP)值，或更精确地说是前述的钻孔直径不变的孔隙度值。应该注意到X，从而是R以及φ的对应值仍然是钻井液盐度(ms)和钻井液重量(mw)的函数。这些量在已知钻井时加添到钻井液中的物料时可以以充分的精度估算，而不会在孔隙度的计算中造成显著的误差。另外，在先有技术中公开了种种MWD和LWD系统，能在井下机组中测量其邻近处的钻井液盐度和钻井液重量。

对于非标准的岩石结构如砂岩或白云岩的影响来校正孔隙度值φ的方法是本项技术中周知的。对于“非标准的”地层流体加盐水的影响来校正孔隙度值φ的方法在本项技术中也是周知的。通过对于非标准条件校正φ可求得地层孔隙度φ_实际，并由以下通式表示

(7)φ_实际＝Kφ

式中K代表所有非标准的“环境”校正值。

要是对于已知的钻孔和地层条件已开发出对孔隙度的计数率的变换，则可以根据近或远探测器的计数率来确定孔隙度。几乎所有的钻井液中都含有高浓度的氢。钻孔流体的典型例子是带有新鲜水、盐水或油基的钻井液。在测井径工具邻域中钻孔液体数量是钻孔直径的函数。于是，测量钻孔流体的量可以与钻孔井径仪相关。由于本发明给出了根据钻孔流体氢指数的测量的井径记录图，就可由近探测器的响应方便地计算孔隙度φ_近，这是因为近探测器更接近中子源而更敏感钻孔物料。φ_{实 际}与φ_近之间的差可以表示为

(8)φ_近-φ_实际＝a₁(d₁-a₂)(1+a₃(φ_实际-a₄)²)

式中a₁、a₂、a₃与a₄是通过对于所述工具使式(8)拟合响应数据基而确定的系数，而d仍旧是于其中测量响应数据的钻孔的有效直径。

近间距探测器的孔隙度响应φ_近能够通过在已知的钻孔和地层条件中拟合所测得的近间距的探测器计数率CR_近而参数化，得出

(9)CR_近＝b₁(φ_近+b₂)^b3+b₄

于式(9)中求解φ，得出

(10)φ_近＝((CR_近-b₄)/b₁)^(1/b3)-b₂

CR_近是测量值，φ_实际是由测量的值用式(7)或通过其他中子孔隙度测量装置求得的；而常数a₁、a₂、a₃、a₄、b₁、b₂、b₃与b₄则是通过在已知地层和钻孔条件下使工具响应参数化，通过在已知地层和钻孔条件下使工具响应数学模型化，或是结合采用这两种方法而确定的。然后可以结合式(8)与(10)而求解钻孔直径d，由此得出的钻孔井径仪的测量结果可以测井图表形式作为在进行测定的钻孔内的深度予以显示。

2.设备

图1示明一种钻孔井径仪系统，它构型如具体用于LWD作业的双探测器中子孔隙度装置。快中子源32、近探测器34和远探测器36位于将称作为LWD工具的钻链22内。LWD工具22借助钻柱20悬挂于钻孔26内，钻孔26由钻孔壁26’限定且钻入地层15中。钻柱20的上端悬挂于地面50上，最好是用传统的旋钻牵引结构(未图示。LWD工具22通过用牵引工具升降钻柱20而沿钻孔26输送。钻头24固定于LWD工具22的下端。钻柱20通过转台60转动而转动LWD工具22和钻头24，由于钻头24的切削作用而使钻孔26向下延伸。

最好采用常规的钻井液系统来除去转动钻头24时形成的钻屑，同时润滑和冷却此钻柱与钻头，以及在钻孔26中保持液压。钻井液通常是含有较高浓度氢的液体，从地面50通过钻柱20向下泵送，经钻头24中的孔排出，然后通过工具22的已知外径和钻孔26的壁26’所限定的钻孔-工具环隙而返回到地面。中子井径仪系统响应此环隙中的钻井液，产生上面用数学式子描述的钻孔直径的测度。

现在注意图1所示LWD工具22内的器件。近探测器34与中子源32沿轴向分开一距离42，而远探测器36沿轴向与中子源分开一距离40，近探测器34由于与中子源较近，比远探测器36更敏感于钻孔中的液体。于是在井径测量中最好采用近探测器计数率CR_近，尽管远探测器的计数率也可用作另一种测量手段。中子源32、近探测器34与远探测器36是压力密封的，最好是在工具22的壁内密封，这样就能使上述器件与钻孔的周围环境孤立开，同时能在工具22内给出一条使钻井液流过的较理想的其轴线通道，中子源32最好是同位素源，发出连续的快中子流。适用的同位素源包括镅与铍(Am-Be)的混合物，或是锎-252(²⁵²Cf)。另一些中子源包括加速器型的以稳态方式工作的中子源；或是加速器型的以脉冲方式工作的中子源，其中的中子探测器响应是较大脉冲周期数的时间平均结果。近探测器34和远探测器36最好只对能量很低的中子或热中子或“超镉”中子敏感。裹有一层镉的氦了探测器能满足上述探测器准则，这是本项工艺中周知的。为了测得φ_实际，从统计观点考虑，远探测器36最好能对热中子较敏感，这是因为在远探测器处的热中子流会显著地少于近探测器处的热中子流。

近探测器34与远探测器36的相对位置能够相对于中子源32变化，以便于进行测井仪的测量和φ_实际的测量。参看图1，此近与远分开的探测器都可以分别位于中子源上方，取优选的轴向间距42和40。也可以使近或远分隔的中子器的任一位于中子源上方，而让另一探测器位于中子源下方，且井径还最好根据近探测器的响应来测定。

探测器34和36用的电源(未图示)以及控制与数据调节电路系统(未图示)最好设于LWD工具22内。用于测定钻孔直径的近探测器的计数率CR_近和用于与CR_近接合以测定φ_实际的远探测器的计数率，最好经遥测而传送到地面50上。最好采用图中以虚线33概示的泥浆脉冲遥测系统，或是采用LWD技术中周知的其他适当遥测系统进行遥测。此外，计数率数据可以记录于最好位于LWD工具22内的存储装置(未示明)内，供LWD工具返回到地面时继后的检索用。用计算机35将计数率数据于地面上变换为钻孔直径的测量值，且最好显示出并由记录器37作为记录此计数率处深度的函数予以记录，由此而构成作为钻孔26内深度函数的钻孔井径记录图。

3.数据处理

图2是流程图，示明结合探测器计数率CR_近、地层孔隙度φ_实际和环境校正值，用以获得以d表示的钻孔测径仪的测量结果。

参看图2，φ_实际最好是用前述的双探测器中子系统于步骤62测定。然后在步骤64相对于各种环境条件进行校正。若是采用双探测器热中子孔隙度技术，则所测的孔隙度必须相对于钻井液重量(HI)、钻井液盐度、地层液盐度、地层温度、地层压力等进行校正。这类校正技术是本项技术中周知的，已在前面提到的各美国专利中描述到或引用到，同时涉及到在已知的地层和钻孔条件下对工具向应进行测量或数学模拟，由此来获得所需的环境校正值。近探测器的计数率是在步骤66中测量。此探测器最好是热(或超热)中子探测器，同时还最好是如上所述产生计数率CR_近的双探测器热中子孔隙系统的近探测器。参数φ_实际和CR_近是在步骤68中用前述关系结合，以获得钻孔直径d的测量值。然后相对于环境条件如钻井液重量(HI)、钻井液盐度、地层液盐度、地层温度、地层压力等，于步骤70校正钻孔直径d。如同在φ_实际的环境校正中，应用在已知地层和钻孔条件下对工具响应的测量或数学模拟来获得d的环境校正值。另外，可以在步骤68之前对环境条件校正CR_近(未示明)，而不必在步骤70校正d。在步骤72，作为钻孔26中工具26的位置或深度的函数来测量井径d，由此产生钻孔井径记录图。

4.结果

图3a与3b示明了在8.5英寸名义钻头尺寸钻出的井孔中所公开的本发明的结果。图3a示明作为图1所示双探测器中子孔隙度系统求得的深度的函数的地层孔隙度的测井图表。曲线80代表相对于环境条件校正的φ_实际。图3b是作为通过结合φ_实际和根据近探测器所得计数率CR_近而获得的，同时如前所述相对于环境因素校正的深度的函数的相应并径d的记录图。在显示出良好钻孔条件的深度间隔87中，此井径记录图读出各义值8.4英寸的直径，这同钻头规格良好的一致，也就表明了这种井径测量系统产生出非常精确的结果。这一井径测量曲线表明出在间隔87之外有大于10英寸的显著“冲坏”。

5.其他实施形式

图4示明了构型如具体用于钢绳作业的示探测器中子孔隙度装置的钻孔测径系统。中子源116最好沿轴线与压力密封的筒形仪器或探头HO中的近探测器114和远探测器112准直。探头110的上端由钢绳102从槽轮132悬挂到钻入地层101的直径为104的钻孔100内。近探测器114最好在中子源116上方的距离122处，而远探测器112最好在中子源116上方的距离120处。如同在此系统的LWD实施形式中，这两个探测器的相对于中子源的位置可以倒换，而且此近与远探测器还可以换一种方式沿轴向分别位于中子源的各侧。近探测器114的计数率数据优先地响应钻孔壁100’和工具110’的已知外径二者限定的环隙中的钻孔液。于是，这一近探测器的计数率最好可再用来测定由尺寸104所表示的钻孔直径d。正如本项技术中所周知的，这些计数率数据是由钢绳102中的电缆或纤维光学传像器件传到地面128上，然后被处理，作为这些数据被测的钻孔中深度的函数加以记录和显示，而此深度的测量结果则是由深度指示仪132提供的。实际孔隙度φ_实际和CR_近相结合，如同前面所讨论过的并如图2所概示的，用以获得作为深度函数的钻孔直径d的井径记录。

图5是可以作为LWD或作为钢绳工具输送的钻孔井径仪工具150又另一种实施形式。此工具采用与中子源154沿轴向分开一段距离158的单一的中子探测器156。将实际中子孔隙度的测量结果与探测器156的计数率相结合，用前述方法获得钻孔井径。与前述各实际形式相同，从中子源154发射出的中子与工具152邻区中的钻孔液相互作用。在此邻区产生出能示明钻孔液体积因而是钻孔直径的计数率。用来测定实际孔隙度的装置由虚线框160表明。此装置160能装设于工具150内或随工具输送。此外，将装置160从工具150中完全撤出可求得实际孔隙度，例如能从岩心数据获得实际孔隙度，从边界井中获得孔隙度的测量结果，等等。

本发明的目的在于测量钻入地层的钻孔直径。但应认识到，本发明也可用于测量钻入任何类型物质的任何类型钻孔的直径，只要这种钻孔有含氢的流体且此物质的孔隙度可以测定的话。

尽管以上描述了本发明的优选和可选择的实施例，其范围由后面的权利要求书确定。

Claims (21)

1.用来测定钻入物质内的钻孔直径的方法，此方法包括：

(a)于所述钻孔内设置探测器；

(b)测量此探测器的表示所述钻孔内流体的氢指数的响应；与

(c)将上述响应与所述物质的孔隙度测量结果相结合，以去求得此钻孔的直径。

2.权利要求1所述的方法，其中

(a)所述物质包括化学键合的氢；

(b)所述孔隙度测量是中子孔隙度测量。

3.权利要求1所述的方法，其中还包括通过由中子辐照所述流体和所述物质来感出上述响应的附加步骤。

4.权利要求3所述的方法，其中所述中子是由发射连续中子流的中子源提供。

5.权利要求3所述的方法，其中所述响应关系到碰撞所述探测器的热中子流。

6.权利要求1所述的方法，其中所述物质是地层。

7.权利要求4所述的方法，其中所述探测器和中子源是沿所述钻孔于钻柱或钢绳上输送。

8.用来测定钻入地层内的钻孔直径的方法，此方法包括：

(a)于所述钻孔内放置中子源并由中子辐照所述地层与此钻孔内的物质；

(b)于所述钻孔内放置第一探测器，此探测器沿轴向与所述中子源分开并响应此中子辐照；

(c)根据此第一探测器的响应，确定第一孔隙度测量结果；

(d)将此第一孔隙度测量结果与地层中子孔隙度测量结果相结合，以求出所述钻孔的直径。

9.权利要求8所述的方法，其中所述第一孔隙度测量结果是通过使所述第一探测器响应与已知钻孔中所述第一孔隙度测量结果和已知地层条件相关联而求得的参数化响应函数来确定的。

10.权利要求8所述的方法，其中还包括有另外的步骤：

(a)于所述钻孔内放置第二探测器，此探测器与所述中子源沿轴向分开的距离不同于所述第一探测器与其分开的距离，并响应此中子辐照；

(b)结合此第一探测器的响应和第二探测器的向应，以求出第二个地层孔隙度测量结果；

(c)相对环境条件校正此第二个地层孔隙度测量结果，以获得所述的地层中子孔隙度测量结果。

11.权利要求10所述的方法，其中所述第一探测器沿轴向与所述中子源的间距比所述第二探测器的近。

12.权利要求10所述的方法，其中所述中子源发射连续的中子流。

13.权利要求10所述的方法，其中所述第一和第二探测器响应碰撞于其上的热中子。

14.权利要求10所述的方法，其中还包括有另外的步骤：

(a)将所述中子源与第一和第二探测器置入钻键内；

(b)沿所述钻孔于钻柱上输送此钻链；

(c)沿所述钻孔作为所述钻链的深度的函数来测量此钻孔的直径。

15.权利要求10所述的方法，其中还包括有另外的步骤：

(a)将所述中子源与第一和第二探测器置入测井仪器内；

(b)沿所述钻孔于钢绳上输送此仪器；

(c)作为所述仪器在所述钻孔内深度的函数来测量此钻孔的直径。

16.用来测定钻入地层内的钻孔直径的系统，此系统包括：

(a)由中子辐照所述地层与所述钻孔内物质的中子源；

(b)与所述中子源沿轴向分开且响应所述中子辐照的第一探测器；

(c)包含此中子源与第一探测器的压力密封结构；以及

(d)计算装置，它用于

(i)根据所述第一探测器的响应测定第一孔隙度，

(ii)将上述第一孔隙度测量结果与地层中子孔隙度测量结果相结合，求出所述钻孔的直径。

17.权利要求16所述的系统，它还包括通过使所述第一探测器响应与已知钻孔中的所述第一孔隙度测量结果和已知地层条件相关联而获得的参数化响应函数，其中此响应函数是用来确定所述第一孔隙度测量结果的。

18.权利要求17所述的系统，它包括有第二探测器，此探测器设在所述压力密封结构中并沿轴向与所述中子源分开-不同于所述第一探测器的距离，且对所述中子辐照作出响应，其中

(a)将所述第一探测器的所述响应与所述第二探测器的响应相结合，以获得第二个地层孔隙度测量结果；

(b)相对于环境条件校正此第二个地层孔隙度测量结果，由此求得所述地层的中子孔隙度测量结果。

19.权利要求18所述的系统，其中所述第一探测器沿轴向比所述第二探测器与所述中子源隔开的更近。

20.权利要求16所述的系统，其中所述中子源发射连续的中子流。

21.权利要求16所述的系统，其中

(a)所述压力密封结构是钻链；而

(b)所述钻链是沿着所述钻孔于钻柱或钢绳上输送。

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