СКВАЖИННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПОСРЕДСТВОМ НЕЙТРОННОЙ АКТИВАЦИИ
DOWNHOLE MEASUREMENT BY NEUTRON ACTIVATION

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение относится, в целом, к каротажу скважины с помощью нейтронно-индуцируемого гамма-излучения и, в частности, к каротажу скважины с помощью нейтронно-индуцируемого гамма-излучения активации.
С использованием ядерных скважинных инструментов элементный состав геологического пласта можно определять различными способами. Косвенное определение литологии пласта можно получить с использованием информации, полученной посредством измерений плотности и фотоэффекта (PEF) на основании рассеяния гамма-излучения в пласте. Прямую регистрацию элементов пласта можно получить путем регистрации нейтронно-индуцируемого гамма-излучения. Нейтронно-индуцируемое гамма-излучение может возникать, когда источник нейтронов излучает нейтроны в пласт, которые могут взаимодействовать с элементами пласта посредством неупругого рассеяния, высокоэнергичных ядерных реакций или захвата нейтронов.
В результате неупругих или захватных реакций определенные пластовые ядра могут становиться радиоактивными. Каждый радиоактивный изотоп в пласте может иметь характеристический период полураспада и характеристическую длину распада до нерадиоактивного элемента. Распад большинства радиоактивных элементов может сопровождаться излучением одной или нескольких характеристических разновидностей гамма-излучения. Это характеристическое гамма-излучение можно использовать для идентификации распадающегося элемента пласта и, таким образом, для указания уникального элемента пласта, который был активирован за счет неупругого рассеяния или захвата нейтронов.
Различные пластовые измерения можно получить на основании вышеописанных ядерных реакций. Например, определение высоты разрыва в пласте можно проводить путем инжекции радиоактивных элементов индикатора в пласт с жидкостью для гидроразрыва и расклинивающим агентом, последовательно измеряя характеристическое гамма-излучение, излучаемое индикатором. Однако использование радиоактивного индикатора может создавать ряд юридических, экологических и других проблем, поскольку радиоактивный индикатор может находиться в жидкой форме и, таким образом, быть легкорассеиваемым. В связи с этим были разработаны определенные методы, позволяющие избегать использования радиоактивного индикатора при определении высоты разрыва. Эти методы могут предусматривать инжекцию в пласт инертного жидкого индикатора, который затем можно бомбардировать нейтронным излучением для активации индикатора в жидкости. Однако при выполнении этих методов источник активирующего нейтронного излучения может перемещаться от точки измерения, и излучение активации можно измерять в более позднее время, когда детектор гамма-излучения или другой детектор пройдет через эту точку. В определенных случаях переходное время между активацией и измерением может допускать движение материалов в жидкости для гидроразрыва, содержащей индикатор, что может приводить к неверной интерпретации разрыва пласта или других свойств пласта.
Сущность изобретения
Ниже представлены определенные аспекты, соответствующие по объему первоначально заявленным вариантам осуществления. Следует понимать, что эти аспекты представлены лишь для того, чтобы ознакомить читателя с краткой сводкой определенных форм, которые должны принимать варианты осуществления, и что эти аспекты не призваны ограничивать объем вариантов осуществления. В действительности, варианты осуществления могут охватывать разнообразные аспекты, которые могут не быть изложены ниже.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся, в целом, к системам и способам для измерения нейтронно-индуцируемого гамма-излучения активации. Например, скважинный инструмент для измерения нейтронно-индуцируемого гамма-излучения активации может включать в себя источник нейтронов и детектор гамма-излучения. Источник нейтронов может излучать нейтроны согласно схеме формирования импульсов, которая включает в себя задержку между двумя импульсами. Задержка может быть достаточной, чтобы, по существу, все события захвата нейтронов, обусловленные излученными нейтронами, могли прекратиться. Детектор гамма-излучения может быть приспособлен регистрировать гамма-излучение активации, вырабатываемое, когда элементы, активированные излученными нейтронами, распадаются до нерадиоактивного состояния.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания и чертежей, в которых:
фиг.1 обобщенная блок-схема системы, включающей в себя скважинный инструмент и схему обработки данных для измерения нейтронно-индуцируемого гамма-излучения, согласно варианту осуществления;
фиг.2 обобщенная блок-схема операции каротажа скважины с использованием скважинного инструмента, показанного на фиг.1, согласно варианту осуществления;
фиг.3 диаграмма нейтронных импульсов, иллюстрирующая схему формирования нейтронных импульсов для скважинного инструмента, показанного на фиг.1, согласно варианту осуществления;
фиг.4 диаграмма нейтронных импульсов, иллюстрирующая схему формирования микровспышек для использования в схеме формирования нейтронных импульсов, показанной на фиг.3, согласно варианту осуществления;
фиг.5 диаграмма нейтронных импульсов, иллюстрирующая другую схему формирования нейтронных импульсов, согласно варианту осуществления;
фиг.6 логическая блок-схема, описывающая вариант осуществления способа получения измерений гамма-излучения для определения характеристики геологического пласта с использованием скважинного инструмента, показанного на фиг.1, согласно варианту осуществления;
фиг.7 логическая блок-схема варианта осуществления способа получения измерений гамма-излучения для определения высоты разрыва с использованием скважинного инструмента, показанного на фиг.1, согласно варианту осуществления;
фиг.8 график, иллюстрирующий относительный отсчет гамма-излучения с течением времени с использованием скважинного инструмента, показанного на фиг.1, согласно варианту осуществления;
фиг.9 логическая блок-схема варианта осуществления способа получения измерений гамма-излучения в конкретные моменты времени, согласно варианту осуществления; и
фиг.10 логическая блок-схема варианта осуществления способа получения измерений на основе нейтронно-индуцируемого гамма-излучения, где нейтроны вырабатываются в реакциях d-D и d-T, согласно варианту осуществления.
Подробное описание конкретных вариантов осуществления
Ниже описан один или несколько конкретных вариантов осуществления. С целью обеспечения краткого описания этих вариантов осуществления не все признаки фактической реализации описаны в описании изобретения. Следует понимать, что в развитии любой подобной фактической реализации, как в любом инженерном или конструкторском проекте, нужно принимать многочисленные решения, зависящие от реализации, для достижения конкретных целей разработчиков, например, согласования с ограничениями, связанными с системой и производством, которые могут варьироваться от реализации к реализации. Кроме того, следует понимать, что такие усилия по разработке могут быть сложными и занимать много времени, но становятся рутинным делом конструирования, изготовления и производства для специалистов, воспользовавшихся данным раскрытием.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся, в целом, к системам и способам для каротажа скважины на основе нейтронно-индуцируемого гамма-излучения. В частности, настоящее изобретение относится к активации ядер геологического пласта путем бомбардировки пласта нейтронами, которые затем могут излучать гамма-излучение (гамма-излучение активации), имеющее характеристические спектры. В отличие от других методов настоящее изобретение может предусматривать бомбардировку геологического пласта нейтронами с использованием схемы формирования нейтронных импульсов, которая включает в себя конкретную задержку между импульсами.
С использованием такой схемы формирования нейтронных импульсов нейтроны могут излучаться в пласт в течение конкретного промежутка времени, когда пластовые ядра могут активироваться событиями неупругого рассеяния и/или событиями захвата нейтронов. Эти события могут приводить к генерации неупругого гамма-излучения и гамма-излучения захвата нейтронов, соответственно, в то время как нейтроны излучаются в пласт и короткое время спустя. Наличие задержки в схеме формирования нейтронных импульсов может давать время на спад неупругого гамма-излучения и гамма-излучения захвата нейтронов, с сохранением, по существу, только гамма-излучения активации из активированных пластовых ядер. Тогда гамма-излучение активации можно регистрировать в течение задержки, а не в более позднее время, когда источник нейтронов удален. Дополнительно или альтернативно, настоящее изобретение также допускает измерение неупругого гамма-излучения и/или гамма-излучения захвата нейтронов совместно с гамма-излучением активации.
С учетом вышеизложенного на фиг.1 показана система 10 для определения свойств геологического пласта с использованием гамма-излучения активации, которая включает в себя скважинный инструмент 12 и систему 14 обработки данных. В порядке примера скважинный инструмент 12 может представлять собой инструмент на скользящей муфте или тросовый инструмент для каротажа существующей скважины, или может быть установлен в компоновке низа бурильной колонны для каротажа во время бурения (LWD). Система 14 обработки данных может входить в состав скважинного инструмента 12 или может располагаться дистанционно. Скважинный инструмент 12 может поддерживаться кожухом 16.
Скважинный инструмент 12 может включать в себя источник 18 нейтронов, приспособленный для излучения нейтронов в пласт согласно схеме формирования нейтронных импульсов, описанной ниже. В порядке примера источник 18 нейтронов может быть электронным источником нейтронов, например, Minitron™ от Schlumberger Technology Corporation, который может вырабатывать импульсы нейтронов посредством реакций d-D и/или d-T. В некоторых вариантах осуществления нейтронный монитор 20 может отслеживать нейтронные излучения из источника нейтронов 18 для более точного отслеживания количества нейтронов, излучаемых источником 18 нейтронов.
Нейтронный монитор 20 может представлять собой пластиковый сцинтиллятор с фотоумножителем, который может первично регистрировать нерассеянные нейтроны непосредственно из источника 18 нейтронов и может выдавать сигнал скорости счета, пропорциональный скорости выпуска нейтронов из источника нейтронов 18. Нейтронный экран 22 может отделять источник нейтронов 18 от различных детекторов в скважинном инструменте 12. Аналогичный экран 24, который может содержать элементы например, свинец, может препятствовать распространению гамма-излучения между различными детекторами скважинного инструмента 12.
Скважинный инструмент 12 может включать в себя один или несколько детекторов гамма-излучения и может включать в себя три или более детекторов гамма-излучения. Скважинный инструмент 12, показанный на фиг.1, включает в себя два детектора 26 и 28 гамма-излучения. Относительные положения детектора 26 и/или 28 гамма-излучения в скважинном инструменте 12 могут варьироваться. В некоторых вариантах осуществления детекторы 26 и 28 гамма-излучения могут располагаться на противоположных сторонах источника 18 нейтронов.
3
3
Детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут содержаться в соответствующих кожухах 30. Сцинтилляционные кристаллы 32 в детекторах 26 и/или 28 гамма-излучения могут обеспечивать регистрацию отсчетов или спектров гамма-излучения за счет выработки света, когда гамма-излучение рассеивается или поглощается в сцинтилляционных кристаллах 32. Сцинтилляционные кристаллы 32 могут представлять собой неограниченные Сцинтилляционные детекторы, содержащие, например, NaI(Tl), LaCl, LaBr, BGO, GSO, YAP и/или другие подходящие материалы. Кожухи 34 могут окружать Сцинтилляционные кристаллы 32. Фотодетекторы 36 могут регистрировать свет, излучаемый сцинтилляционными кристаллами 32, когда гамма-излучение поглощается, и свет проходит через оптическое окно 38. Детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут быть приспособлены получать отсчет гамма-излучения и/или спектры гамма-излучения.
Сигналы от нейтронного монитора 20 и детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения могут поступать на систему 14 обработки данных в качестве данных 40. Система 14 обработки данных может включать в себя компьютер общего назначения, например, персональный компьютер, приспособленный для выполнения различного программного обеспечения, включая программное обеспечение, реализующее, полностью или частично, настоящие методы. Альтернативно, система 14 обработки данных может включать в себя, помимо прочего, универсальный компьютер, распределенную вычислительную систему или компьютер или рабочую станцию специального назначения, приспособленный/ую реализовать, полностью или частично, настоящие методы на основании специализированного программного обеспечения и/или оборудования, обеспеченного как часть системы. Кроме того, система 14а обработки данных может включать в себя либо единый процессор, либо совокупность процессоров для облегчения реализации раскрытых здесь функций. Обработка может производиться, по меньшей мере частично, встроенным процессором скважинного инструмента.
В общем случае система 14 обработки данных может включать в себя схему 44 обработки данных, которая может представлять собой микроконтроллер или микропроцессор, например, центральный блок обработки (CPU), который может выполнять различные процедуры и функции обработки. Например, схема 44 обработки данных может выполнять различные инструкции операционной системы, а также программные процедуры, приспособленные осуществлять определенные процессы и хранящиеся в или обеспеченные в ходе изготовления, включая компьютерно-считываемый носитель, например, запоминающее устройство (например, оперативную память (ОЗУ) персонального компьютера) или одно или несколько запоминающих устройств большой емкости (например, внутренний или внешний жесткий диск, полупроводниковое запоминающее устройство, CD-ROM, DVD или другое запоминающее устройство). Кроме того, схема 44 обработки данных может обрабатывать данные, обеспечиваемые в качестве входов для различных процедур или программ, включая данные 40.
Такие данные, связанные с настоящими методами, могут храниться в или обеспечиваться посредством памяти или запоминающего устройства большой емкости системы 14 обработки данных. Альтернативно, такие данные могут поступать на схему 44 обработки данных системы 14 обработки данных через одно или несколько устройств ввода. В одном варианте осуществления схема 42 сбора данных может представлять одно такое устройство ввода; однако устройства ввода также могут включать в себя устройства ручного ввода, например, клавиатуру, мышь и т.п.Кроме того, устройства ввода могут включать в себя сетевое устройство, например, карту проводного или беспроводного Ethernet, адаптер беспроводной сети или любые различные порты или устройства, приспособленные облегчать связь с другими устройствами через любую походящую сеть связи, например, локальную сеть или Интернет. Через такое сетевое устройство система 14 обработки данных может обмениваться данными и осуществлять связь с другими электронными сетевыми устройствами, находящимися вблизи или на удалении от системы. Сеть может включать в себя различные компоненты, которые облегчают связь, в том числе коммутаторы, маршрутизаторы, серверы или другие компьютеры, сетевые адаптеры, кабели связи и т.д.
Скважинный инструмент 12 может передавать данные 40 на схему 42 сбора данных системы 14 обработки данных, например, по нисходящей линии связи или кабелю связи телеметрической системы. После приема данных 40 схема 42 сбора данных может передавать данные 40 на схему 44 обработки данных. Согласно одной или нескольким сохраненным процедурам, схема 44 обработки данных может обрабатывать данные 40 для выявления одного или нескольких свойств геологического пласта, окружающего скважинный инструмент 12. Такая обработка может предусматривать, например, один или несколько методов для определения свойства пласта на основании гамма-излучения активации и/или гамма-излучения неупругого рассеяния или захвата нейтронов. Затем схема 44 обработки данных может выдавать отчет 46, включающий в себя одно или несколько выявленных свойств пласта. Отчет 46 может сохраняться в памяти или может поступать оператору через одно или несколько устройств вывода, например, электронный дисплей и/или принтер. В порядке примера схема 44 обработки данных может определять состав геологического пласта на основании гамма-излучения активации, с использованием методов, раскрытых в патенте США №4810876, LOGGING APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING ABSOLUTE ELEMENTAL CONCENTRATIONS OF SUBSURFACE FORMATIONS, и/или в патенте США №5237594, NUCLEAR ACTIVATION METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING AND QUANTIFYING EARTH ELEMENTS, которые оба присвоены Schlumberger Technology Corporation и включены сюда в порядке ссылки в полном объеме.
На фиг.2 показана операция 48 каротажа скважины на основе нейтронно-индуцируемого гамма-излучения, которая предусматривает размещение скважинного инструмента 12 в окружающий геологический пласт 50. В операции 48, изображенной на фиг.2, скважинный инструмент 12 опускается в существующую скважину 52. Операция 48 каротажа скважины может начинаться, когда источник нейтронов 18 выводит последовательность нейтронных вспышек 54 согласно схеме формирования нейтронных импульсов, предусматривающей задержку активации. Подходящие схемы формирования нейтронных импульсов более подробно рассмотрены ниже. Если источник 18 нейтронов излучает нейтроны, вырабатываемые в реакциях d-T, нейтронная вспышка 54 может включать в себя нейтроны с энергией приблизительно 14,1 МэВ. Эти нейтроны с энергией 14,1 МэВ могут сталкиваться с ядрами в окружающем пласте 50 посредством событий неупругого рассеяния 56, которые могут приводить к генерации неупругого гамма-излучения 58 и к потере энергии нейтронов нейтронной вспышки 54. Когда нейтроны нейтронной вспышки 54 теряют энергию, нейтроны могут поглощаться пластом 50 ядра в событиях 60 захвата нейтронов, которые могут приводить к генерации гамма-излучения 62 захвата нейтронов.
События 56 неупругого рассеяния и события 60 захвата нейтронов могут приводить к тому, что элементы пласта 50, участвующие в событиях 56 и/или 60, активируются 64 или становятся радиоактивными. Каждый из активированных 64 радиоактивных изотопов может иметь характеристический период полураспада и характеристическую длину распада до нерадиоактивного элемента. В частности, распад большинства радиоактивных элементов пласта 50 может сопровождаться излучением одной или нескольких разновидностей характеристического гамма-излучения 66 активации. Поскольку гамма-излучение 66 активации может соответствовать элементу, который распадается, регистрируя гамма-излучение 66 активации, можно идентифицировать уникальные элементы пласта 50.
Если источник 18 нейтронов излучает нейтроны, вырабатываемые в реакциях d-D, нейтронная вспышка 54 может включать в себя нейтроны с энергией приблизительно 2,5 МэВ. Эти нейтроны с энергией 2,5 МэВ могут не приводить к событиям неупругого рассеяния 56, для которых могут требоваться нейтроны более высокой энергии, но могут вызывать события 60 захвата нейтронов. Таким образом, активация 64, которая происходит, когда нейтронная вспышка 54 включает в себя, по существу, только нейтроны, вырабатываемые в реакциях d-D, может быть обусловлена только событиями 60 захвата нейтронов. Поскольку определенные элементы пласта 50 могут активироваться 64 только посредством событий 60 захвата нейтронов, и определенные другие элементы пласта 50 могут активироваться только посредством событий неупругого рассеяния 56, определенные методы, описанные здесь, могут предусматривать множественные проходы скважинного инструмента 12 через пласт 50, в течение которых излучаются нейтронные вспышки 54 разных уровней энергии.
Неупругое гамма-излучение 58, гамма-излучение 62 захвата нейтронов и/или гамма-излучение 66 активации можно регистрировать с помощью детекторов 26 и/или 28 гамма-излучения. Как вкратце описано выше, гамма-излучение 58, 62 и 66 может вырабатываться в различные моменты времени после нейтронной вспышки 54. В частности, в течение или после нейтронной вспышки 54 детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать, в основном, неупругое гамма-излучение 58 и гамма-излучение 62 захвата нейтронов. Однако по истечении достаточной задержки после нейтронной вспышки 54 детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать, по существу, только гамма-излучение 66 активации, поскольку события неупругого рассеяния 56 и события 60 захвата нейтронов могут, по большей части, прекращаться.
По этой причине, помимо прочего, схема формирования нейтронных импульсов, используемая источником 18 нейтронов для излучения нейтронов в пласт 50, может включать в себя задержку между нейтронными вспышками 54. Задержка между нейтронными вспышками 54 может быть достаточной, чтобы препятствовать спаду, по существу, всего неупругого гамма-излучения 58 и гамма-излучения 62 захвата нейтронов (например, свыше 2 мс), в результате чего из нейтронно-индуцируемого гамма-излучения остается, по существу, только гамма-излучение 66 активации. Схему формирования нейтронных импульсов, которая предусматривает такую задержку между импульсами, можно описать в диаграмме 68 нейтронных импульсов, показанной на фиг.3. Диаграмма 68 нейтронных импульсов включает в себя ординату 70, указывающую, включен или выключен источник 18 нейтронов, и абсциссу 72, указывающую время в секундах (с).
Согласно диаграмме 68 нейтронных импульсов, показанной на фиг.3, нейтронные вспышки 54 могут импульсно излучаться из источника 18 нейтронов в относительно медленной последовательности. В порядке примера время включения нейтронов для импульса 74 схемы формирования нейтронных импульсов может составлять приблизительно одну секунду, и время отключения нейтронов между импульсами 74 также может составлять приблизительно одну секунду. Время отключения нейтронов между нейтронными импульсами 74 может быть короче или длиннее времени включения нейтронов для нейтронных импульсов 74. В порядке примера при выборе меньшей скорости каротажа времена включения и отключения нейтронов могут удлиняться. Кроме того, нейтроны не обязаны излучаться с постоянной скоростью в течение каждого нейтронного импульса 74. Напротив, можно применять схему формирования микровспышек, например, используемых в С/О каротаже, сигма-каротаже или спектроскопическом каротаже. Поэтому каждый из нейтронных импульсов 74 может делиться на множественные нейтронные микровспышки и паузы, представляющие такую схему формирования микровспышек, что описана ниже. Кроме того, несколько разных схем формирования микровспышек можно применять в схеме формирования нейтронных импульсов описанной диаграммой 68 нейтронных импульсов. В частности, один нейтронный импульс 74 может делиться на микровспышки и паузы, представляющие первую схему формирования вспышек, и другой нейтронный импульс 74 может делиться на микровспышки и паузы, представляющие вторую схему формирования вспышек.
На фиг.4 показана диаграмма 76 нейтронных импульсов, иллюстрирующая схему формирования микровспышек, которую можно применять в импульсах 74 схемы формирования нейтронных импульсов, например, схемы формирования нейтронных импульсов, описанной диаграммой 68 нейтронных импульсов, показанной на фиг.3. Диаграмма 76 нейтронных импульсов включает в себя ординату 78, которая указывает, включен или отключен источник 18 нейтронов, и ординату 80, которая указывает время в микросекундах (мкс). Согласно диаграмме 76 нейтронных импульсов, каждая нейтронная микровспышка 82 времени включения может иметь длительность приблизительно 20 мкс, после чего может следовать время отключения приблизительно 80 мкс. Эта последовательность может быстро повторяться на протяжения импульса 74. Можно применять альтернативные схемы формирования микровспышек. Такие схемы могут включать в себя двухвспышечную схему, описанную в патенте США №4926044, THERMAL DECAY TIME LOGGING METHOD AND APPARATUS, или схему, используемую в инструменте EcoScope от Schlumberger и описанную в патенте США №6703606 NEUTRON BURST TIMING METHOD AND SYSTEM FOR MULTIPLE MEASUREMENT PULSED NEUTRON FORMATION EVALUATION. Оба вышеуказанных патента присвоены Schlumberger Technology Corporation и включены сюда в порядке ссылки в полном объеме.
Следует понимать, что такие схемы формирования микровспышек являются иллюстративными и не исчерпывающими, и что можно применять любое количество схем формирования микровспышек в течение нейтронного импульса 74. Кроме того, схему формирования микровспышек, применяемую в течение нейтронного импульса 74, можно использовать для получения дополнительных измерений, например, спектроскопии неупругого гамма-излучения, спектроскопии захватного гамма-излучения и/или сигма-измерений. Конкретные измерения, которые можно получить, могут варьироваться в зависимости от конкретной схемы формирования микровспышек, применяемой в течение нейтронного импульса 74.
На фиг.5 показана диаграмма 84 нейтронных импульсов, описывающая другую схему формирования нейтронных импульсов для использования источником 18 нейтронов в скважинном инструменте 12. Диаграмма 84 нейтронных импульсов включает в себя ординату 86, которая указывает, включен или отключен источник 18 нейтронов, и ординату 88, которая указывает время в микросекундах (мкс). Диаграмма 84 нейтронных импульсов может делиться на интервал включения 90 и интервал отключения 92. В течение интервала включения 90 микровспышки нейтронов могут излучаться, когда источник 18 нейтронов включается и отключается приблизительно 600 раз за период 100 мкс. Таким образом, источник нейтронов 18 может быть включен в течение 20 мкс, после чего следует пауза приблизительно 80 мкс для каждой микровспышки в течение интервала включения 90. В течение интервала отключения 92, который может длиться приблизительно от 2 мс до 100 мс, населенность тепловыми нейтронами может полностью исчезать, так что в конце интервала отключения 92 невозможно наблюдать, по существу, никакого гамма-излучения 62 захвата нейтронов.
На фиг.6 показана логическая блок-схема 94, описывающая вариант осуществления способа получения измерений гамма-излучения вследствие активации, захвата нейтронов и/или неупругого рассеяния с использованием скважинного инструмента 12. На первом этапе 96 скважинный инструмент 12 может перемещаться через пласт 50 по скважине 52. Как описано выше, скважинный инструмент 12 может перемещаться по скважине 52 на тросе, скользящей муфте или в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК). Скважинный инструмент 12 может перемещаться через пласт 50 с заранее определенной скоростью каротажа, или скорость каротажа может варьироваться на основании конкретной применяемой схемы формирования нейтронных импульсов или на основании полученных измерений гамма-излучения.
На этапе 98 источник нейтронов 18 может излучать нейтроны согласно конкретной схеме формирования нейтронных импульсов. Схема формирования нейтронных импульсов может включать в себя, например, любую из схем формирования нейтронных импульсов или схем нейтронных микровспышек, описанных выше со ссылкой на фиг.3-5, любых подходящих их вариаций, или любую схему формирования нейтронных импульсов, предусматривающую достаточную задержку, позволяющую регистрировать гамма-излучение 66 активации. Схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, может включать в себя нейтронные импульсы 74 и задержки, достаточно короткие, чтобы, после активации 64 пласта 50 ядра, детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения, по существу, не успевали переместиться.
Схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, может адаптироваться или не адаптироваться к скорости каротажа этапа 96. В одном примере, если схема формирования нейтронных импульсов адаптируется к скорости каротажа, нейтронные импульсы 74 и времена отключения между нейтронными импульсами 74 могут быть пропорциональны скорости перемещения скважинного инструмента 12 через пласт 50. В другом примере, если скважинный инструмент 12 становится неподвижным в пласте 50, схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, может отличаться от схемы формирования нейтронных импульсов, применяемой, когда скважинный инструмент 12 постоянно перемещается через пласт. Если схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, не адаптируется к скорости каротажа, схема формирования нейтронных импульсов может быть единой, заранее определенной схемой формирования нейтронных импульсов, приспособленной эффективно активировать 64 пласт 50, в то же время оставляя достаточно времени для регистрации результирующего гамма-излучения 66 активации. В порядке примера такая заранее определенная схема формирования нейтронных импульсов может предусматривать множественные нейтронные импульсы 74 различной длительности и/или включающие в себя различные схемы формирования микровспышек. Единая заранее определенная схема формирования нейтронных импульсов может включать в себя достаточное изменение, чтобы эффективно обеспечивать диапазон скоростей каротажа для каротажа на основе гамма-излучения 66 активации. Например, заранее определенная схема формирования нейтронных импульсов может включать в себя определенные импульсы 74 с соответствующими задержками, отрегулированными для измерений с определенными скоростями каротажа, и может включать в себя другие импульсы 74 с соответствующими задержками, отрегулированными для стационарных измерений.
Как описано выше со ссылкой на фиг.1, источник 18 нейтронов может быть способен генерировать нейтроны на одном или нескольких уровнях энергии. Например, источник 18 нейтронов может представлять собой d-T генератор нейтронов, способный излучать нейтроны с энергией 14,1 МэВ, или d-D генератор нейтронов, способный излучать нейтроны с энергией 2,5 МэВ. Таким образом, схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, может предусматривать нейтронные импульсы или микровспышки, состоящие, по существу, только из нейтронов с энергией 14,1 МэВ, по существу, только из нейтронов с энергией 2,5 МэВ, или из нейтронов с энергией 14,1 МэВ и нейтронов с энергией 2,5 МэВ. Как описано выше со ссылкой на фиг.2, когда нейтронная вспышка 54, которая происходит в течение нейтронного импульса 74, включает в себя нейтроны с энергией 14,1 МэВ, события неупругого рассеяния 56 могут происходить в пласте 50, создавая неупругое гамма-излучение 58 и обеспечивая определенным элементам пласта 50 путь к активации 64.
28
28
28
27
27
28
Если, по существу, только нейтроны с энергией 2,5 МэВ излучаются в нейтронной вспышке 54 в течение нейтронного импульса 74 схемы формирования импульсов, применяемой на этапе 98, определенные конкретные элементы пласта 50 проще определять. При энергии 2,5 МэВ нейтронная вспышка 54 может почти не приводить к событиям неупругого рассеяния 56, и, таким образом, могут преобладать события 60 захвата нейтронов. Таким образом, активированные 64 изотопы могут почти полностью ограничиваться теми, которые активированы 64 событиями 60 захвата тепловых нейтронов. Это может исключить, например, выработку Al посредством высокоэнергичной реакции Si(n,p)Al. В результате, можно уверенно регистрировать активацию 64 Al посредством реакции 60 захвата теплового нейтрона Al(n,γ) Al.
Схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, также может предусматривать использование источника 18 нейтронов, который может управляемо вырабатывать нейтроны в реакциях d-T и d-D по отдельности. Это позволяет разделять активацию 64, вызванную быстрыми нейтронами с энергией приблизительно 14,1 МэВ (посредством событий неупругого рассеяния 56) и тепловыми нейтронами с энергией приблизительно 2,5 МэВ (посредством событий 60 захвата нейтронов). Активация 64 может осуществляться с использованием перемежающихся импульсов 74 или перемежающихся вспышек 54 этих нейтронов низкой и высокой энергии. Такой генератор 18 нейтронов также может параллельно излучать быстрые и тепловые нейтроны, что описано в патентной заявке США №2007/839757 DOWNHOLE TOOLS HAVING COMBINED D-D AND D-T NEUTRON GENERATORS, присвоенной Schlumberger Technology Corporation и включенной сюда в порядке ссылки в полном объеме.
На этапе 100 на основании схемы формирования нейтронных импульсов, применяемой на этапе 98, результирующее гамма-излучение 58, 62 и/или 66 можно регистрировать благодаря событиям неупругого рассеяния 56, событиям 60 захвата нейтронов и/или событиям активации 64, соответственно. Например, если схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 98, аналогична схеме формирования нейтронных импульсов, показанной на фиг.5, и источник 18 нейтронов излучает нейтроны с энергией приблизительно 14,1 МэВ, детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать неупругое гамма-излучение 58 и/или гамма-излучение 62 захвата нейтронов на протяжении интервала включения 90. При этом в течение интервала отключения 92, после спада неупругого гамма-излучения 58 и гамма-излучения 62 захвата нейтронов, детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать, по существу, только гамма-излучение 66 активации. Благодаря схеме формирования импульсов, применяемой на этапе 98, детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать гамма-излучение 58, 62 и/или 66 до того, как скважинный инструмент 12 переместится из положения в пласте 50, где излучались нейтроны. Таким образом, скважинный инструмент 12 может получать измерения неупругого гамма-излучения 58 и/или гамма-излучения 62 захвата нейтронов, по существу, одновременно с гамма-излучением 66 активации.
Следует понимать, что на этапе 100 детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут получать отсчеты гамма-излучения и/или измерять спектры гамма-излучения 58, 62 и/или 66. Таким образом, отсчеты или спектры нейтронно-индуцируемого неупругого гамма-излучения 58 и/или гамма-излучения 62 захвата нейтронов можно получить одновременно с отсчетами или спектрами гамма-излучения 66 активации. Например, полученные спектры гамма-излучения 58 и/или 62 могут обрабатываться в системе 14 обработки данных для расширения и/или дополнения информации спектров гамма-излучения 66 активации. Дополнительно, если нейтронный монитор 20 присутствует в скважинном инструменте 12, измеренную интенсивность гамма-излучения 58, 62 и 66 можно сопоставить с полным выходом нейтронов на протяжении схемы формирования нейтронных импульсов, применяемой на этапе 98.
В зависимости от схемы формирования нейтронных импульсов, применяемой на этапе 98, на этапе 100 также можно измерять макроскопическое поперечное сечение захвата (сигма) пласта. Схемы формирования нейтронных импульсов, пригодные для измерения сигмы, кратко рассмотрены выше со ссылкой на фиг.4. Измерение сигмы может обеспечивать дополнительную информацию и может быть важно для различных экологических корректировок и, в частности, для измерения гамма-излучения 66 активации.
На фиг.7 показана логическая блок-схема 102 варианта осуществления способа получения измерений гамма-излучения 66 активации для определения высоты разрыва в пласте 50. На первом этапе 104 жидкость для гидроразрыва, содержащую материал инертного индикатора, можно инжектировать в разрывы внутри пласта 50 вблизи скважины, например, скважины 52. На этапе 106 скважинный инструмент 12 может перемещаться через пласт по скважине 52.
На этапе 108 схема формирования нейтронных импульсов может применяться для активации 64 материалов инертного индикатора в жидкости для гидроразрыва. Схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 108, может представлять собой любую из схем формирования нейтронных импульсов, описанных выше со ссылкой на фиг.3-5, а также любую вариацию схем формирования нейтронных импульсов, описанных выше со ссылкой на этап 98 на фиг.6. В частности, в одном варианте осуществления схема 108 формирования нейтронных импульсов может предусматривать излучение нейтронной вспышки 54 с использованием только d-D генератора нейтронов, который может излучать, по существу, только нейтроны с энергией 2,5 МэВ. Использование низкоэнергичных нейтронов из реакции d-D может быть полезным для регистрации нерадиоактивных индикаторов, которые могут активироваться 64 событиями 60 захвата тепловых нейтронов, но не событиями неупругого рассеяния 56.
На этапе 110 детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать гамма-лучевой отклик из активированной жидкости для гидроразрыва. Следует понимать, что гамма-излучение 66 активации, зарегистрированное из активированной жидкости для гидроразрыва, можно использовать для определения высот разрыва в пласте 50.
На фиг.8 показан график 112, представляющий иллюстративный гамма-лучевой отклик, который может возникать в результате бомбардировки пласта 50 нейтронами, излучаемыми согласно одной из описанных здесь схем формирования нейтронных импульсов. В порядке примера иллюстративный гамма-лучевой отклик, показанный на графике 112, может представлять отсчет гамма-излучения, полученный на этапе 100 логической блок-схемы 94 или на этапе 110 логической блок-схемы 102. На графике 112 ордината 114 представляет относительный отсчет гамма-излучения, включающий в себя неупругое гамма-излучение 58, гамма-излучение 62 захвата нейтронов и гамма-излучение 66 активации. Абсцисса 116 представляет относительное время, начинающееся в течение нейтронного импульса 74 и заканчивающееся в течение задержки, которая следует за нейтронным импульсом 74.
Интервалы времени A, B и C представляют промежутки времени, в течение которых можно наблюдать только определенное гамма-излучение. В частности, поскольку интервал времени А представляет время, когда источник 18 нейтронов излучает нейтроны в пласт 50, в течение интервала времени А, регистрируемое гамма-излучение может включать в себя, в основном, неупругое гамма-излучение 58, но также может включать в себя некоторое гамма-излучение 62 захвата нейтронов и гамма-излучение 66 активации. В течение интервала времени В, который может следовать сразу после последней нейтронной вспышки 54 нейтронного импульса 74, регистрируемое гамма-излучение может включать в себя, в основном, гамма-излучение 62 захвата нейтронов, но также может включать в себя некоторое гамма-излучение 66 активации. В течение интервала времени С, который может начинаться после задержки, достаточной для спада гамма-излучения 62 захвата нейтронов, можно регистрировать, по существу, только гамма-излучение 66 активации. Интервал времени С может, в свою очередь, делиться на интервалы времени на основании периодов полураспада различных активированных 64 изотопов пласта 50. Каждый из интервалов времени, на которые делится интервал времени С, может соответствовать определенным изотопам, которые могут присутствовать и быть активированными 64 в пласте 50.
На фиг.9 показана логическая блок-схема 120, представляющая вариант осуществления способа получения измерений гамма-излучения 66 активации и сохранения измерений гамма-излучения в конкретных интервалах времени. Таким образом, временные характеристики гамма-лучевого отклика, описанного выше со ссылкой на фиг.8, можно применять для идентификации происхождения определенного регистрируемого гамма-излучения. Способ, представленный логической блок-схемой 120, может предусматривать или не предусматривать инжекцию инертного индикатора в жидкости для гидроразрыва в пласт 50. На первом этапе 122 скважинный инструмент 12 может перемещаться через пласт 50 по скважине 52 таким же образом, как описано на этапах 96 или 106. Аналогично, на этапе 124 одна из схем формирования нейтронных импульсов может применяться таким же образом, как на этапах 98 или 108.
После применения схемы формирования нейтронных импульсов на этапе 124 на этапе 126 детекторы 26 и/или 28 гамма-излучения могут регистрировать результирующее неупругое гамма-излучение 58, гамма-излучение 62 захвата нейтронов и/или гамма-излучение 66 активации. В частности, когда гамма-излучение 58, 62 и/или 66 регистрируется детекторами 26 и/или 28 гамма-излучения, оно может сохраняться в конкретные интервалы времени. Интервалы времени могут иметь одинаковые или разные протяженности. Например, протяженность интервалов времени может зависеть от времени, прошедшего с последней нейтронной вспышки 54 нейтронного импульса 74. Дополнительно или альтернативно, протяженность интервалов времени может варьироваться в зависимости от скорости каротажа скважинного инструмента 12 или в зависимости от схемы формирования импульсов, применяемой на этапе 124. В порядке примера интервалы времени могут иметь относительные длины, сравнимые с интервалами времени A, B и/или C, показанными на фиг.8. В другом примере, длины интервалов времени, соответствующие измеренному гамма-излучению 66 активации, могут быть короче или длиннее, если схема формирования импульсов, применяемая на этапе 124, предусматривает, в основном, нейтроны с энергией 2,5 МэВ или 14,1 МэВ, которые могут быть пригодны.
На фиг.10 показана логическая блок-схема 128, представляющая вариант осуществления способа получения измерений гамма-излучения 66 активации с использованием двух разных уровней энергии нейтронов. В частности, этапы 130-134 представляют первый проход через пласт 50, в течение которого могут излучаться, по существу, только нейтроны с энергией 2,5 МэВ. Этапы 136-140 представляют второй проход через пласт 50, в течение которого могут излучаться, по существу, только нейтроны с энергией 14,1 МэВ. Способ, представленный логической блок-схемой 120, может предусматривать или не предусматривать инжекцию инертного индикатора в жидкости для гидроразрыва в пласт 50.
28
28
28
27
27
28
На первом этапе 130 первого прохода через пласт 50 скважинный инструмент 12 может перемещаться через пласт 50 по скважине 52 таким же образом, как описано на этапах 96 или 106. Аналогично, на этапе 132 одна из схем формирования нейтронных импульсов может применяться таким же образом, как на этапах 98 или 108. В частности, на этапе 132 схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 130, может предусматривать излучение нейтронных вспышек 54 с использованием нейтронов с энергией 2,5 МэВ из реакций d-D. Использование низкоэнергичных нейтронов из реакций d-D может быть особенно полезным для регистрации нерадиоактивных индикаторов, которые могут активироваться 64 событиями захвата 60 тепловых нейтронов, но не событиями неупругого рассеяния 56. Дополнительно, однако, низкоэнергичные нейтроны могут активировать 64 только определенные элементы в пласте 50. Например, при энергии 2,5 МэВ нейтронная вспышка 54 может почти не приводить к событиям неупругого рассеяния 56, и, таким образом, могут преобладать события 60 захвата нейтронов. Таким образом, активированные 64 изотопы могут почти полностью ограничиваться теми, которые активированы 64 событиями 60 захвата тепловых нейтронов. Это может исключить, например, выработку Al посредством высокоэнергичной реакции Si(n,p)Al. В результате, можно уверенно регистрировать активацию 64 Al посредством реакции 60 захвата теплового нейтрона Al(n,γ)Al. На этапе 134 можно получить измерения результирующего гамма-излучения 62 захвата нейтронов и/или гамма-излучения 66 активации.
На первом этапе 136 второго прохода через пласт 50 скважинный инструмент 12 может перемещаться через пласт 50 по скважине 52 таким же образом, как описано на этапе 130. Аналогично, на этапе 138 одна из схем формирования нейтронных импульсов может применяться приблизительно таким же образом, как на этапе 132, за исключением того, что схема формирования нейтронных импульсов, применяемая на этапе 138, может предусматривать излучение нейтронных вспышек 54 с использованием нейтронов с энергией 14,1 МэВ из реакций d-T. Нейтроны с энергией 14,1 МэВ могут инициировать события неупругого рассеяния 56 и события 60 захвата нейтронов. Таким образом, во втором проходе этапов 136-140 могут активироваться 64 определенные элементы пласта 50 и/или индикаторные элементы, которые могут активироваться 64 только посредством событий неупругого рассеяния 56, которые не были активированы в первом проходе этапов 130-134. На этапе 140 можно получить измерения результирующего неупругого гамма-излучения 58, гамма-излучения 62 захвата нейтронов и/или гамма-излучения 66 активации.
Хотя здесь проиллюстрированы и описаны только определенные признаки, специалисты в данной области техники могут предложить многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что формула изобретения призвана охватывать все подобные модификации и изменения, которые отвечают истинной сущности настоящего изобретения.