專利名稱：用于脈沖中子俘獲西格馬反演的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及測井，更具體地說，涉及通過脈動中子俘獲數(shù)據(jù)的分析來表征鉆孔周圍的地下地層。
背景技術(shù)：
脈動中子俘獲反演是圍繞絕對最小值有許多局部最小值的非線性問題。Neuman脈動中子衰變(PNC)方法在過去已被用于反演PNC衰變曲線。這種方法涉及把工具所產(chǎn)生的這些衰變曲線擬合到雙指數(shù)響應模型。根據(jù)擬合的參數(shù)，能夠確定鉆孔和地層兩者的西格馬。然后，西格馬可被用于確定巖石物理屬性，諸如蒸汽飽和度、水飽和度或者偽孔隙度。然而，擬合這些曲線并不是一件簡單的事情，因為數(shù)據(jù)會具有差的信噪比，尤其是在后期(500 μ s之后)。在這個時段中，地層信號趨于主導鉆孔信號。除了計算西格馬值，Neuman方法還計算基于PNC的密度和孔隙度指示。這些反演都使用西格馬信息來產(chǎn)生估計。Neuman碼還被用于繪制PNC數(shù)據(jù)和結(jié)果擬合曲線。這允許用戶可視地檢查擬合。因為低的信噪比，擬合例程常常會“鎖定到”壞的擬合?？梢暤貦z查曲線允許用戶確定西格馬值是統(tǒng)計離群值還是僅僅是壞的擬合。Neuman方法使用Newton-Raphson方法來優(yōu)化擬合實測數(shù)據(jù)到反演模型。這種方法對于具有信號最小值的問題工作良好，但是在處理噪聲數(shù)據(jù)時會遇到麻煩。該方法會收斂到是許多局部最小值之一但并不是絕對最小值的解，其中絕對最小值將表征“最佳”擬合。結(jié)果就是源自這種處理的繪制測井記錄可能包含大的尖峰或者由于未收斂到絕對最小值而引起的離群值。給出以上問題，所需要的是一種用于反演脈動中子俘獲衰變曲線的改進方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面，公開了一種從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的計算機實現(xiàn)的方法。該方法包括:選擇由被置于穿過巖石地層的鉆孔下面的脈動中子儀收集的能譜，該能譜包括俘獲交互和無彈性交互；以及由與包括指令的計算機可讀介質(zhì)通信的處理器進行模擬，當所述指令被執(zhí)行時，使處理器利用非線性模型來選擇能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。在有些方面，非線性模型可包括單純形模型，例如Nelder-Mead單純形模型。可以使用的一種Nelder-Mead單純形模型是多頂點單純形,例如五(5)頂點單純形。在有些方面，非線性模型可以包括模擬退火模型。在有些方面，可以利用有關(guān)鉆孔和巖石地層的多指數(shù)非線性模型來獲得西格馬值。多指數(shù)模型可以基于包括與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率以及與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率的參數(shù)。非線性模型可以基于有關(guān)與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率以及與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率的初始估計。在有些方面，儲層屬性可以包括巖石物理屬性，包括孔隙度、飽和度和/或氣/水-氣/油接觸。儲層屬性還可以包括有關(guān)巖石地層的商業(yè)開采的屬性，其中有關(guān)商業(yè)開采的屬性包括產(chǎn)油層。可以基于鉆孔和巖石地層中的中子衰變速率而獲得西格馬值?？梢愿鶕?jù)對應于從來自選定能譜的數(shù)據(jù)在中子衰變曲線上選擇的四個點的參數(shù)C1至(；和至t4來確定初始估計，其中C1至C4和至t4分別是中子衰變計數(shù)和中子衰變時間，Abh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值，Afm是與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值，Tbh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率，而Tfm是與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率。根據(jù)本公開內(nèi)容的有些方面，公開了一種用于從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的計算機實現(xiàn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括與其中存儲了指令的存儲器通信的處理器，當所述指令被執(zhí)行時，處理器被布置成:選擇由被置于穿過巖石地層的鉆孔下面的脈動中子儀收集的能譜，該能譜包括俘獲交互和無彈性交互；利用非線性模型來模擬選擇的能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。根據(jù)本公開內(nèi)容的有些方面，公開了一種用于從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括:可位于穿過巖石地層的鉆孔中的脈動中子儀，該脈動中子儀被布置成生成進入鉆孔和巖石地層的中子；可位于鉆孔中的檢測器，該檢測器被布置成檢測衰變中子的能譜，其中，所述能譜包括俘獲交互和無彈性交互；以及與其中存儲了指令的存儲器通信的處理器，當所述指令被執(zhí)行時，所述處理器被布置成利用非線性模型來模擬所述能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。在有些方面，所述處理器可被配置成構(gòu)造衰變曲線并且基于檢測的能譜來確定衰變速率的估計。當參考附圖考慮以下描述與所附權(quán)利要求時，本發(fā)明的這些與其它目標、特征和特性，及操作方法與結(jié)構(gòu)和部件組合的相關(guān)元件的功能和制造的經(jīng)濟性，都將變得更加顯然，所有這些都構(gòu)成本說明書的一部分，其中相同的標號在各個圖中都指定對應的部分。但是，應當明確地理解，附圖僅僅是為了說明和描述，而不是要作為本發(fā)明限制的定義。如在本說明書和權(quán)利要求中所使用，除非上下文清楚地另外指出，否則單數(shù)形式“一”、“一個”和“這個”也包括復數(shù)的所指對象。


圖1示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面，位于穿透地球的鉆孔中的測井工具的示例性實施方式。圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面,用于兩維Nelder-Mead單純形的起始單純形。圖3示出了圖2的單純形的反射。圖4示出了圖2的單純形的擴張。圖5示出了圖2的單純形的外部收縮。圖6示出了圖2的單純形的內(nèi)部收縮。圖7示出了用于圖2的單純形的縮小操作。圖8示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面，用于模擬退火的例子表示。圖9示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面，具有來自兩個指數(shù)的貢獻的例子衰變曲線。
圖10示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的另一個例子衰變曲線。圖11示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的用于情況I的結(jié)果。圖12示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的用于情況2的結(jié)果。圖13示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的用于情況3的結(jié)果。圖14示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的退火時間和x2的比較。圖15示出了使用Newton-Raphson方法(現(xiàn)有技術(shù))和根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的單純形方法得到的西格馬測井記錄的比較。圖16示出了使用Newton-Raphson方法(現(xiàn)有技術(shù))和根據(jù)本公開內(nèi)容的一些方面的模擬退火方法得到的西格馬測井記錄的比較。
具體實施例方式圖1示出了位于穿透地球3的鉆孔3中的測井工具10的示例性實施方式。地球3包括地球地層4，其中地層4可以包括層4A-4C。在圖1的實施方式中，測井工具10被配置用于隨鉆測井(LWD)或者隨鉆測量(MWD)應用。照此，測井工具10被置于鉆柱11遠端的套圈中。測井可以在鉆井的過程中或者在暫停過程中執(zhí)行。在其它實施方式中，測井工具10可被配置成通過測井電纜、鋼絲或者卷管傳送通過鉆孔2。參考圖1，在鉆井操作的過程中，鉆探泥漿從地球表面通過鉆柱11中的泥漿通道12被泵到切割設備13用于潤滑和冷卻。鉆探泥漿從鉆柱11的遠端排放到鉆孔2中?？偟膩碚f，鉆探泥漿和鉆孔流體具有使鉆探泥漿或鉆孔流體反射中子的屬性。相應地，測井工具10包括中子反射器和中子吸收器的配置，以便最小化由鉆探泥漿或鉆孔流體反射的中子的影響。在圖1的實施方式，測井工具10被配置成估計地層4的孔隙度。通過把入射中子7指向地層4中的勘測區(qū)域5來測量孔隙度。中子源6發(fā)射入射中子7。根據(jù)地層4的屬性，例如孔隙度和位于地層4的孔隙中的地層流體的類型，一定百分比的入射中子7將被反射回到測井工具10。測井工具10包括中子檢測器9，以檢測并測量由地層4反射的中子(即，反射的中子8)的量。測井工具10處的中子反射器和中子吸收器的配置被優(yōu)化，以便增加檢測到反射的中子8的概率并且最小化由非地層物質(zhì)(例如鉆探泥漿和鉆孔流體)反射的中子對檢測器9的影響。中子源6可以是化學中子源或者脈動中子源。總的來說，入射中子7是能量大于0.1MeV的快中子。參考圖1，測井工具10包括耦合到檢測器9的電子單元14。電子單元14被配置成接收由中子檢測器9執(zhí)行的測量。與測量相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)16可由電子單元14記錄和/或被發(fā)送到位于地球3表面的處理系統(tǒng)15。當數(shù)據(jù)16被記錄時，數(shù)據(jù)16可被存儲，用于在測井工具10被從鉆孔2除去時的后續(xù)檢索。遙測系統(tǒng)可被用于把數(shù)據(jù)16發(fā)送到處理系統(tǒng)
15。遙測系統(tǒng)用于發(fā)送數(shù)據(jù)16的技術(shù)的非限制性例子包括脈動泥漿、有線鉆管、聲、光和電磁。處理系統(tǒng)15接收并處理數(shù)據(jù)16，以估計地層4的屬性。所述屬性的非限制性例子包括孔隙度和地層層4A-4C之間的邊界的位置。總的來說，所述屬性被呈現(xiàn)給鉆井操作人員或者石油分析師，以優(yōu)化鉆井或地層分析。
脈動中子俘獲(PNC)數(shù)據(jù)是在14MeV中子的脈沖在地下地層中減速然后衰變時取得的。信號隨時間衰變的速率與地層西格馬成反比。西格馬是地層中的巖石和流體的物理屬性，像體積密度或孔隙度。西格馬被用來計算高鹽分儲層中的水飽和度和蒸汽流中的蒸汽飽和度，并且是以俘獲單位(c.u.)測量的一定體積的物質(zhì)的用于熱中子吸收的宏觀截面或者俘獲截面。西格馬是脈動中子俘獲測井記錄的主要輸出，它主要被用于確定套管后面的水飽和度。熱中子具有大約與周圍物質(zhì)相同的能量，一般小于0.4eV。脈動中子俘獲(PNC)測量主要被用于獲得套管后面的巖石物理屬性。PNC工具通過把14MeV中子的脈沖發(fā)射到鉆孔和周圍地層中來起作用。當中子散開時，位于源上方的檢測器(例如由碘化鈉(NaI)晶體制成的兩個閃爍檢測器)測量由中子與介質(zhì)交互所產(chǎn)生的伽瑪射線。這些伽瑪射線計數(shù)是作為時間的函數(shù)來記錄的。在工具中檢測到的伽瑪射線信號的衰變等效于鉆孔和地層中的中子通量(或中子數(shù))的衰變。中子通量作為時間的函數(shù)呈指數(shù)衰變。中子通量的衰變速率與鉆孔或地層的西格馬成反比。因而，獲得用于地層的總西格馬會產(chǎn)生諸如巖石物理信息的儲層屬性，比如通常作為體積百分比的飽和度，或者說巖石孔隙中的水、油和氣的相對量，和孔隙度，以及例如產(chǎn)油層的生產(chǎn)類型信息。由于PNC工具沒有從鉆孔屏蔽，因此在檢測器中看到的信號是鉆孔和地層信號之和。為了去卷積這種信號，可以使用多指數(shù)模型。在有些方面，多指數(shù)模型可以是雙指數(shù)模型，一個指數(shù)說明鉆 孔，另一個指數(shù)說明地層。中子俘獲是中子交互，其中中子被目標核子吸收，產(chǎn)生激發(fā)狀態(tài)的同位素。被激活的同位素通過特性伽瑪射線的發(fā)射而瞬間去激發(fā)。中子俘獲(也稱為熱俘獲)通常發(fā)生在低熱能，在這個熱能下，中子具有大約與周圍物質(zhì)相同的能量，一般低于0.4eV(在室溫下是
0.025eV)。脈動中子能譜測井記錄是地層中的不同元素的產(chǎn)量的電纜測井記錄，是使用通過脈動中子發(fā)生器感應的伽瑪射線能譜測量的。元素產(chǎn)量得自兩個中間結(jié)果:無彈性和俘獲能譜。無彈性能譜是碳-氧測井記錄的基礎(chǔ)，并且還能夠給出關(guān)于其它元素的信息。俘獲能譜取決于許多元素，主要是氫、硅、鈣、鐵、硫和氯。由于元素產(chǎn)量只給出關(guān)于元素的相對濃度的信息，因此它們通常是作為比率給出的，例如c/0、Cl/H、Si/(Si+Ca)、H/(Si+Ca)和Fe/(Si+Ca)。這些比率分別是油、鹽分、巖性、孔隙度和粘土的指示。測井記錄的勘測深度一般進入地層幾英寸，并且能夠在開放式或有套管的洞中延伸?？偟膩碚f，從脈動中子俘獲衰變獲得西格馬值可被認為是一個優(yōu)化問題。給定所觀察到的衰變曲線，這些參數(shù)集合產(chǎn)生到多指數(shù)模型的最優(yōu)擬合。在有些方面，多指數(shù)模型
是以下形式的雙指數(shù)模型:
t —_t_c{t)^ AbhB^ +AjmB7^(I)其中Abh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值，Afffl是與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值，τ bh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率，而Tfm是與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率。衰變速率可以通過以下關(guān)系與鉆孔和地層西格馬值有關(guān):
Γπ14545( 1、τ 二 — =--12/
νΣ Σ其中V是熱中子速率。
以另一種途徑重新開始等式(2)，西格馬可以如下計算⑴
權(quán)利要求
1.一種從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的計算機實現(xiàn)的方法，該方法包括: 選擇由被置于穿過巖石地層的鉆孔下面的脈動中子儀收集的能譜，該能譜包括俘獲交互和無彈性交互；以及 由與包括指令的計算機可讀介質(zhì)通信的處理器進行模擬，當所述指令被執(zhí)行時，使處理器利用非線性模型來選擇所述能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述非線性模型包括單純形模型。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其中,所述單純形模型是Nelder-Mead單純形模型。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其中,所述Nelder-Mead單純形模型包括多頂點單純形。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述西格馬值是利用有關(guān)鉆孔和巖石地層的多指數(shù)非線性模型獲得的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述多指數(shù)模型基于包括與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率和與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率的參數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述非線性模型基于有關(guān)與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率和與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率的初始估計。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述非線性模型包括模擬退火模型。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述儲層屬性包括選自包含下列的組的巖石物理屬性:孔隙度、飽和度以及氣/ 7K -氣/油接觸。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述西格馬值是基于鉆孔和巖石地層中的中子衰變速率而獲得的。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述初始估計是根據(jù)參數(shù)C1至C4以及至t4來確定的,C1至C4和h至t4分別是中子衰變計數(shù)和中子衰變時間，其對應于根據(jù)來自選擇的能譜的數(shù)據(jù)而在中子衰變曲線上選擇的四個點，Abh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值，Afm是與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值，Tbh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率，以及τ π是與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述儲層屬性包括有關(guān)巖石地層的商業(yè)開采的屬性，其中，有關(guān)商業(yè)開采的屬性包括產(chǎn)油層。
13.一種用于從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的計算機實現(xiàn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括與其中存儲有指令的存儲器通信的處理器，當所述指令被執(zhí)行時，處理器被布置成: 選擇由被置于穿過巖石地層的鉆孔下面的脈動中子儀收集的能譜，該能譜包括俘獲交互和無彈性交互；以及 利用非線性模型來模擬選擇的能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述非線性模型包括單純形模型。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述單純形模型是Nelder-Mead單純形模型。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其中，所述Nelder-Mead單純形模型包括多頂點單純形。
17.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述西格馬值是利用有關(guān)鉆孔和巖石地層的多指數(shù)模型而獲得的。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述多指數(shù)模型基于包括與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率和與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率的參數(shù)。
19.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述非線性模型基于有關(guān)與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值、與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率和與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率的初始估計。
20.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述非線性模型包括模擬退火模型。
21.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述儲層屬性包括選自包含下列的組的巖石物理屬性:孔隙度、飽和度以及氣/水-氣/油接觸。
22.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述西格馬值是基于鉆孔和巖石地層中的中子衰變速率而獲得的。
23.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述初始估計是根據(jù)參數(shù)C1至C4以及h至t4來確定的，C1至C4和至t4分別是中子衰變計數(shù)和中子衰變時間，其對應于根據(jù)來自選擇的能譜的數(shù)據(jù)在中子衰變曲線上選擇的四個點，Abh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的幅值，Afm是與鉆孔周圍的巖石地層相關(guān)聯(lián)的幅值，Tbh是與鉆孔相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率，以及τ π是與巖石地層相關(guān)聯(lián)的中子衰變速率。
24.一種用于從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的系統(tǒng)，包括: 可置于穿過巖石地層的鉆孔中的脈動中子儀，所述脈動中子儀被布置成產(chǎn)生進入鉆孔和巖石地層的中子； 可置于鉆孔中的檢測器，所述檢測器被布置成檢測衰變中子的能譜，其中，所述能譜包括俘獲交互和無彈性交互；以及 處理器，與其中存儲有指令的存儲器通信，當所述指令被執(zhí)行時，被布置成利用非線性模型來模擬所述能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被配置成構(gòu)建衰變曲線并基于檢測的能譜來確定衰變速率的估計。
全文摘要
在本發(fā)明的有些方面，公開了一種從脈動中子俘獲衰變曲線獲得西格馬值的計算機實現(xiàn)的方法。該方法可以包括選擇由被置于穿過巖石地層的鉆孔下面的脈動中子儀收集的能譜，該能譜包括俘獲交互和無彈性交互；以及利用非線性模型來模擬選擇的能譜，以獲得有關(guān)一個或多個儲層屬性的西格馬值。
文檔編號G01V5/10GK103201649SQ201180053687
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者D·巴爾內(nèi)斯, A·巴德魯茲曼 申請人:雪佛龍美國公司