用于進(jìn)行井下測(cè)量的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】進(jìn)行井下測(cè)量的系統(tǒng)和方法利用：中子源(12)，其用于在地下地層(12)中形成標(biāo)記(122)；核輻射檢測(cè)器(D、124)，其用于檢測(cè)所述標(biāo)記(122)發(fā)射的伽瑪和/或其他核輻射；以及井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元(20)，其基于所述核輻射和所述中子源(120)和所述核輻射檢測(cè)器(D、124)之間的軸向距離L的檢測(cè)，生成關(guān)于自動(dòng)化或其他鉆井組件(4)的增量深度和/或關(guān)聯(lián)機(jī)械鉆速(ROP)的實(shí)時(shí)信息，而不需要借助復(fù)雜的有線或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將實(shí)時(shí)增量深度和/或ROP數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乇碓O(shè)備。
【專利說(shuō)明】
用于進(jìn)行井下測(cè)量的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及在在井下鉆孔中進(jìn)行井下測(cè)量的系統(tǒng)和方法。鉆孔可涉及勘探或生產(chǎn) 諸如原油和/或天然氣的烴流體。
【背景技術(shù)】
[0002] -般，使用可旋轉(zhuǎn)鉆柱，鉆出用于生產(chǎn)來(lái)自井下地層的原油和/或天然氣的鉆孔。 鉆柱通常包括一系列互連的鉆桿片段。鉆柱的井下端可通常設(shè)置有底部鉆具組合(BHA)， BHA包括提供鉆壓的較重鉆環(huán)的片段、隨鉆測(cè)量(MWD)設(shè)備、用于破碎地層在井下端的鉆頭。 鉆機(jī)的用于保持鉆柱的表面設(shè)置有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)鉆柱，通常包括頂部驅(qū)動(dòng) 或其他旋轉(zhuǎn)臺(tái)。
[0003] 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地下導(dǎo)航的關(guān)鍵障礙之一在于地表和井下之間的通信瓶頸。當(dāng)前可用的 隨鉆測(cè)量工具和隨鉆測(cè)井工具可測(cè)量除了深度之外的所有至關(guān)重要的井下信息。深度估計(jì) 井下的實(shí)時(shí)可用性可提供鉆井操作中的實(shí)時(shí)自動(dòng)化位舵和優(yōu)化的新可能性。
[0004] 為了進(jìn)行地下導(dǎo)航，最重要的測(cè)量值之一是任何時(shí)間點(diǎn)的鉆孔深度。伴隨著方位 角和旋轉(zhuǎn)位移的方向測(cè)量，它提供鉆頭相對(duì)于表面位置的定位。在下面優(yōu)化的鉆孔軌跡中， 存在多種深度測(cè)量的使用，諸如，用于在地層中進(jìn)行地理特征定位、用于遵循優(yōu)化的鉆孔軌 跡、用于計(jì)算套管鞋深度、用于估計(jì)水泥數(shù)量等。
[0005] 在深度測(cè)量的當(dāng)前系統(tǒng)中，地表系統(tǒng)可記錄鉆臺(tái)下方的鉆柱的時(shí)間和長(zhǎng)度?？墒?用鉆柱長(zhǎng)度作為標(biāo)準(zhǔn)深度測(cè)量?？墒褂梅姐@桿補(bǔ)心或鉆臺(tái)作為基于陸地的鉆機(jī)的基準(zhǔn)和海 上鉆機(jī)的平均海平面。使用鉆柱(BHA和鉆桿片段的組合長(zhǎng)度)至頂部驅(qū)動(dòng)器(或游車）的距 離和頂部驅(qū)動(dòng)器(或游車)在井架中的位置來(lái)確定鉆頭的深度和機(jī)械鉆速(R0P)。
[0006] 通過(guò)從絞車放出的鉆井鋼絲繩來(lái)測(cè)量游車的移動(dòng)，這是用絞車旋轉(zhuǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)的或 者在鉆速記錄儀的幫助下進(jìn)行測(cè)量的?？墒褂煤Ｉ系纳裂a(bǔ)償器來(lái)消除浮式海上設(shè)施中的 升沉效應(yīng)。盡管為了準(zhǔn)確進(jìn)行深度測(cè)量費(fèi)盡全力，但當(dāng)前系統(tǒng)由于與熱膨脹、鉆桿伸展、壓 力效應(yīng)、和/或鉆壓誤差、鉆柱傳感器校準(zhǔn)和升沉校正而出現(xiàn)誤差。由于這些因素導(dǎo)致的深 度總誤差可以是3000m深度內(nèi)高達(dá)10-12m。已經(jīng)努力計(jì)算與以上提到的現(xiàn)象相關(guān)的誤差并 且使用此作為確定校正深度的調(diào)整，但它們沒(méi)有將誤差準(zhǔn)確定量并且極少實(shí)際運(yùn)用。深度 的井下測(cè)量有可能消除這些誤差。
[0007] 美國(guó)專利5,341，886公開(kāi)了用于控制旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的前進(jìn)方向的方法和設(shè)備。該系統(tǒng) 包括鉆柱、攜載在鉆柱上的可旋轉(zhuǎn)鉆頭、可旋轉(zhuǎn)頭和有助于鉆井方向變化的順從性子組件。 該系統(tǒng)包括磁性標(biāo)記組件，包括地層磁化器。地層中的磁性標(biāo)記是通過(guò)磁化器用對(duì)應(yīng)的電 流脈沖形成的。該工具還包括與磁化器相隔距離L的磁性傳感器。當(dāng)磁性傳感器檢測(cè)到磁性 標(biāo)記時(shí)，促使磁化器形成另一個(gè)磁性標(biāo)記。新磁性標(biāo)記均分隔開(kāi)距離L，從而允許測(cè)量增量 深度。
[0008] 實(shí)際上，美國(guó)專利5,341，886的系統(tǒng)證實(shí)有致使其不適于應(yīng)用的缺陷。地層常常是 不可磁化的，從而在深度測(cè)量時(shí)產(chǎn)生顯著誤差。美國(guó)專利5,341，886指示了使用高強(qiáng)度磁性 脈沖的必要性，大約桿面有幾千奧斯特。除了大量功率需求之外，高強(qiáng)度磁性脈沖會(huì)與工具 桿中的可磁化材料發(fā)生干擾。
[0009]美國(guó)專利7,283,910公開(kāi)了用于記錄地層并且獲取地下信息以得到所關(guān)注參數(shù)的 方法和設(shè)備，這些參數(shù)可包括密度、孔隙率、聲學(xué)反射率、核磁共振性質(zhì)、或電阻。用多個(gè)傳 感器獲取這些參數(shù)。確定來(lái)自各個(gè)傳感器的信號(hào)之間的時(shí)間間隔值。使用已知的傳感器空 間間隔和時(shí)間間隔值，確定鉆孔速率并且定義地下特征的遞增深度。
[0010]美國(guó)專利7,283,910的設(shè)備發(fā)出核能(更特別地，伽瑪射線）。伽瑪射線源與被屏蔽 以不受射線源影響的兩個(gè)或更多個(gè)伽瑪射線檢測(cè)器組合。在探針的操作期間，從射線源發(fā) 射的伽瑪射線(或光子)進(jìn)入地層并且通過(guò)光電吸收，通過(guò)康普頓散射，或者通過(guò)電子偶的 產(chǎn)生與地層材料的原子電子相互作用。傳感器可包括核磁共振傳感器。
[0011]在鉆井的同時(shí)，兩個(gè)或更多個(gè)傳感器根據(jù)它們的間隔和機(jī)械鉆速在不同時(shí)間經(jīng)過(guò) 地層中的同一位置?？墒褂盟惴ū容^這些傳感器的實(shí)時(shí)輸出，以將源自同一地下地層的信 號(hào)的特征相關(guān)。因?yàn)檫@些信號(hào)對(duì)應(yīng)于同一地下位置，所以可使用傳感器之間的已知距離L來(lái) 計(jì)算沿著井下的前進(jìn)以及機(jī)械鉆速。即，鉆柱在時(shí)間差a t = (t2-tl)期間沿著井下前進(jìn)距 離L。機(jī)械鉆速ROP = L/(t2-t 1)。通過(guò)對(duì)R0P求積分，可計(jì)算增量深度。
[0012]美國(guó)專利7,283,910的設(shè)備面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在水平片段中，其中，鉆孔通常在 地層內(nèi)延伸，并且在同一巖性中，特性巖石屬性特征不會(huì)大幅度改變以致足以區(qū)分特征和 噪聲。另外，日志決不精確重復(fù)。連續(xù)伽瑪射線測(cè)量的微量變化經(jīng)常是由于到達(dá)檢測(cè)器或傳 感器的放射性脈沖的隨機(jī)性質(zhì)而導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。例如，伽瑪射線工具的準(zhǔn)確的一般是5% 左右并且精確度與記錄速度的平方根成反比并且將受到瞬時(shí)速度變化的影響。例如由于沖 蝕導(dǎo)致的流體侵蝕和孔徑變化還可使測(cè)得的值隨時(shí)間推移而變化。因 R0P的積分，在計(jì)算出 的增量深度中引入積分誤差，該誤差將隨深度增大而增大。誤差的大小取決于例如R0P變 化、傳感器和測(cè)量頻率之間的距離。最后，記錄工具的精確度隨著溫度升高而減小，這樣限 制了尚溫應(yīng)用。
[0013] 美國(guó)專利7,999,220公開(kāi)了一種脈動(dòng)中子源和用于鉆孔記錄的伽瑪射線檢測(cè)器的 組件。該檢測(cè)器組件包括溴化鑭(LaBr3)閃爍晶體和與晶體協(xié)作的數(shù)字化譜儀和與晶體協(xié) 作以使脈沖處理吞吐量最大。該組件可應(yīng)用于鉆孔記錄方法，鉆孔記錄方法在嚴(yán)酷的鉆孔 條件下使用伽瑪射線進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)尤其可應(yīng)用于碳/氧記錄。
[0014] 歐洲專利申請(qǐng)EP2615477公開(kāi)了用于測(cè)量地層壓裂中的壓裂液的方位分布。工具 具有中子源和繞著工具的外周分隔的多個(gè)檢測(cè)器。檢測(cè)器彼此屏蔽，使得各檢測(cè)器檢測(cè)來(lái) 自它最靠近的鉆孔區(qū)域和地層的伽瑪射線。為了用該工具采集記錄，中子源將高能種子發(fā) 送到周圍地層中。中子由于散射而快速失去能量，此后，它們被周圍環(huán)境內(nèi)的各種原子吸 附。被散射和吸收的中子發(fā)射具有特征能量的伽瑪射線。可測(cè)量這些伽瑪射線與特征能量 的關(guān)系并且可確定特定物質(zhì)的存在與否。
[0015]國(guó)際專利申請(qǐng)W02006/004740公開(kāi)了一種井下脈動(dòng)中子發(fā)射和檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù) 用于確定鉆孔中流體的流動(dòng)速率。
[0016]美國(guó)專利申請(qǐng)U2008/251710公開(kāi)了一種電纜式懸掛鉆孔記錄工具，該工具裝配有 脈動(dòng)中子發(fā)射源和核輻射傳感器和處理器，用于確定地層的硅含量，處理器位于地面上，可 被構(gòu)造成估計(jì)借助用于懸掛記錄工具的電纜發(fā)送到地表處理器的、基于傳感器進(jìn)行的測(cè)量 的記錄工具的速率。對(duì)于想要估計(jì)正鉆出的鉆孔的深度的熟練鉆井專家而言，顯而易見(jiàn)，找 到這個(gè)問(wèn)題的解決方案要翻閱US2008/251710，US2008/251710涉及用于確定地層中的硅含 量的電纜式記錄工具。US2008/251710沒(méi)有教導(dǎo)作為將鉆孔中子發(fā)射源和核輻射傳感器進(jìn) 行的發(fā)送工具速率測(cè)量值發(fā)送到地面的處理器的替代，可將這些速率測(cè)量值發(fā)送到井下工 具，從而不再需要借助數(shù)據(jù)傳輸電纜將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面的處理器，旋轉(zhuǎn)鉆井組件牽涉 到借助數(shù)據(jù)傳輸電纜將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面的處理器是不且實(shí)際的或者成本高。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)提供了電纜作業(yè)的或相對(duì)不準(zhǔn)確的鉆孔深度測(cè)量工具。然而，無(wú) 法在不需要借助電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到地表處理器的情況下測(cè)量深度和/或無(wú)法以對(duì)于自動(dòng)化 鉆孔而言將是充分的準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)量深度。
[0018]因此，需要改善如上所述的方法和系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)。
[0019]此外，需要一種準(zhǔn)確的井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元，該井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元可在鉆 井期間提供自動(dòng)化或其他的鉆井組件的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)增量深度，而不需要復(fù)雜和脆弱的從鉆井 組件的底部鉆具組合(BHA)延伸到地面的有線或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]按照本發(fā)明，提供了一種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測(cè)量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0021 ]-中子源，其用于發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)； [0022]-核輻射檢測(cè)器，其被設(shè)置成與核源相距軸向距離L，用于檢測(cè)被激活的所述靶物 質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及
[0023]-井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元，其被構(gòu)造成計(jì)基于核輻射和軸向距離L的檢測(cè)來(lái)計(jì)算鉆 孔中的鉆井組件的增量深度。
[0024]所述井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元可布置在鉆井組件的底部鉆具組合(BHA)中并且被構(gòu) 造成向BHA中的自動(dòng)化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)提供關(guān)于BHA的增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速(R0P)、 方位角和/或傾斜度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且所述井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元可被構(gòu)造成借助所述BHA 中的信號(hào)傳輸組件將所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲎詣?dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不需要將所述實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘乇淼臄?shù)據(jù)處理設(shè)備。
[0025]井下自動(dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)還可包括用于基于存儲(chǔ)在所述系統(tǒng)中的關(guān)于以下的數(shù) 據(jù)將所述BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置：
[0026]-所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及
[0027] -基于所述鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)所述BHA的 增量深度、方位角和傾斜度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行所述鉆孔軌跡的估計(jì)。
[0028] 可選地，所述檢測(cè)器可以是圓柱形，具有至少5cm的高度和/或被構(gòu)造成檢測(cè)包括 氯-37、鈉 -23和/或硅-30的靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射并且所述中子源和核輻射檢測(cè)器(D)之間 的軸向距離L可等于或小于最大值Lmax，其中，軸向距離L大于沿著所述鉆孔的軸的所述靶物 質(zhì)的被激活核的擴(kuò)散和/或L max在3米和6米之間和/或軸向距離是至少20cm。
[0029] 按照本發(fā)明，此外提供了一種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測(cè)量的方法，所述方法包括 以下步驟：
[0030] -通過(guò)中子源發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)；以及
[0031] -致使被設(shè)置成與所述中子源相距軸向距離L的核發(fā)射檢測(cè)器檢測(cè)被激活的所述 靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及
[0032]-致使井下鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)單元基于所述核輻射和所述軸向距離L的檢測(cè)來(lái)計(jì)算所 述鉆孔中的鉆井組件的增量深度。
[0033]所述井下鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)單元可布置在鉆井組件的底部鉆具組合(BHA)中并且借助 BHA中的信號(hào)傳輸組件將關(guān)于所述BHA的增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速(R0P)、方位角和/或傾 斜度的實(shí)時(shí)信息提供到BHA中的自動(dòng)化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不需要借助在BHA和地表鉆孔 導(dǎo)航和控制設(shè)備之間復(fù)雜、易碎且成本高的無(wú)線或有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿?于地表的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
[0034]所述自動(dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)可包括基于關(guān)于以下的所述系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將所述 BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置：
[0035]-所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及
[0036] -基于所述鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)所述BHA的 增量深度、方位角和傾斜度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行所述鉆孔軌跡的估計(jì)并且當(dāng)所述BHA已經(jīng)達(dá)到 或幾乎達(dá)到所述地下鉆井靶時(shí)，所述自動(dòng)化鉆井過(guò)程可終止，由此，可從所述鉆孔取出所述 鉆井組件，所述鉆孔可完成并且被轉(zhuǎn)換成烴流體生產(chǎn)井，可由所述生產(chǎn)井來(lái)產(chǎn)生烴流體。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 下文中，將參照附圖更詳細(xì)地并且以舉例方式描述本發(fā)明，其中：
[0038] 圖1示出包括鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例的鉆孔的剖視圖；
[0039] 圖2示出傳統(tǒng)定向鉆井系統(tǒng)的剖視圖；
[0040]圖3示出本發(fā)明的定向鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖；
[0041]圖4A和圖4B分別示出在時(shí)間tl和t2的用于測(cè)量增量深度的標(biāo)記-檢測(cè)器系統(tǒng)的示 例性實(shí)施例的剖視圖；
[0042]圖5示出用于測(cè)量增量深度的示例性系統(tǒng)的剖視圖；
[0043 ]圖6至圖8示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程方案的實(shí)施例；
[0044]圖9A和圖9B分別示出時(shí)間tl和t2的本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖；
[0045] 圖10示出本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例的透視圖；
[0046] 圖11示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程方案；
[0047] 圖12示出本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖；以及
[0048] 圖13示出本發(fā)明的系統(tǒng)的流程方案。
【具體實(shí)施方式】
[0049]在說(shuō)明書(shū)和附圖中，類似的參考標(biāo)號(hào)涉及類似的組件。所描繪的組件和所描述的 特征可按許多方式進(jìn)行組合。
[0050]圖1示出延伸到地下地層2中的鉆孔1，地下地層2通常包括多個(gè)層5、7,每一層具有 不同的特性。層7可以例如是儲(chǔ)層，儲(chǔ)層包括諸如原油和/或天然氣的烴流體。用于鉆出鉆孔 1的鉆井組件3通常包括管狀鉆柱4,鉆柱4從地表8上的鉆機(jī)6延伸到鉆孔1的井下端9。鉆柱4 可具有由多段鉆桿形成的第一或上段10。鉆柱的第二或井下段可被稱為底部鉆具組合或 BHA 12AHA 12的井下端設(shè)置有鉆頭13。環(huán)面14在鉆柱4和井眼1的壁之間延伸。鉆機(jī)6通常 設(shè)置有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)15，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)15用于將鉆柱繞著其縱軸旋轉(zhuǎn)。
[0051] 底部鉆具組合或BHA 12還可包括額外的設(shè)備，諸如鉆環(huán)和鉆柱穩(wěn)定器。鉆環(huán)可包 括較重的管道片段以提供鉆壓。
[0052] 在鉆井期間，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)15進(jìn)行操作，以將鉆柱4在井眼1中旋轉(zhuǎn)?？山柚@柱4 的內(nèi)部流體通道將鉆井流體從地表栗送到鉆頭13,鉆頭13排出鉆井流體。鉆井流體的回流 通過(guò)環(huán)狀空間向上流向地表，帶有因鉆頭13的切割動(dòng)作而導(dǎo)致的鉆肩。
[0053]烴行業(yè)中所關(guān)注的新興領(lǐng)域之一是開(kāi)發(fā)薄和/或致密的儲(chǔ)層。這些儲(chǔ)層需要比傳 統(tǒng)烴儲(chǔ)層更大的儲(chǔ)層接觸面積。增大儲(chǔ)層接觸面積的選擇包括鉆相對(duì)長(zhǎng)的水平片段和/或 鉆多個(gè)側(cè)鉆以形成根狀多側(cè)面井眼。
[0054] 這些最新水平的鉆井應(yīng)用中的大部分使用實(shí)時(shí)地層評(píng)價(jià)技術(shù)和復(fù)雜的井下工具 來(lái)找尋地理靶地帶并且在向前鉆井的同時(shí)保持與儲(chǔ)層接觸例如達(dá)數(shù)千米。在鉆井的同時(shí)改 變井眼軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)與地理靶地帶更大的接觸或者避開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)地帶被稱為地質(zhì)導(dǎo)向。地質(zhì)導(dǎo)向 會(huì)得到復(fù)雜的三維井眼幾何形狀。
[0055] 地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)可包括構(gòu)建和維修成本較高的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。這個(gè)成本因素限制了 它們的使用并且會(huì)致使使用它們是不經(jīng)濟(jì)的。
[0056] 當(dāng)前地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的另一種限制是其依賴于人類專業(yè)技能理解地下數(shù)據(jù)和鉆井 參數(shù)以進(jìn)行實(shí)時(shí)決策。一直依賴人類判斷為誤差留有空間和不一致并且增加了風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)。
[0057] 可用更簡(jiǎn)單的工具構(gòu)造和處理的自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的改善，以使成本更低 并且使性能一致。
[0058]為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地下導(dǎo)航的構(gòu)思，主要的決策之一是決定系統(tǒng)的控制單元20或大 腦的位置?？刂茊卧?0將取得來(lái)自所有可能測(cè)量的輸入并且用獲取的情報(bào)處理它以進(jìn)行實(shí) 時(shí)決定。如果系統(tǒng)的控制單元位于地面上，則所有井下測(cè)量值22必須被發(fā)送到地面，而關(guān)于 工具設(shè)置方面的決策24必須被發(fā)送到井下，如圖2中所示。
[0059] 開(kāi)發(fā)基于地表的自動(dòng)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是當(dāng)前通信系統(tǒng)的能力瓶頸。用于底部孔 和地表之間的通信的當(dāng)前最新水平的技術(shù)是泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)，泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)遭遇由 于高頻信號(hào)的衰減較高而導(dǎo)致隨著底部孔的深度增加，數(shù)據(jù)攜載能力降低。商用系統(tǒng)聲明， 對(duì)于淺井而言，數(shù)據(jù)速率是大約40比特/秒，對(duì)于大位移井而言，減小至3比特/秒，其中在下 行(down-1 inking)操作中有中斷的額外開(kāi)銷。這也是信息的地下測(cè)量和地表再現(xiàn)之間的時(shí) 滯，伴隨著有限的數(shù)據(jù)傳遞速率嚴(yán)重限制了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆頭和井眼軌跡的閉環(huán)控制和獲 得高頻、高分辨率數(shù)據(jù)采集井下的能力。
[0060] 另一個(gè)選擇是將"大腦"20(即，控制單元)布置成較靠近鉆頭13,如圖3中所示。與 地層評(píng)價(jià)相關(guān)的井下測(cè)量值(諸如，伽瑪射線、電阻率、密度、聲速記錄等)可容易得到，并且 可被用作進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向決策的基礎(chǔ)。在井下定位控制單元20將大大減小與地表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸?shù)膸捫枰Ｍㄟ^(guò)定位在井下，控制單元可實(shí)時(shí)利用高分辨率數(shù)據(jù)集，從而基本上消除了 時(shí)滯問(wèn)題和數(shù)據(jù)壓縮需要，這將增強(qiáng)決策的準(zhǔn)確度和質(zhì)量。
[0061] 可以使用底部鉆具組合12中包括的隨鉆測(cè)量(MWD)系統(tǒng)獲取所有至關(guān)重要的鉆井 參數(shù)(諸如，鉆壓、鉆頭每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)、鉆井流體的流速、溫度、壓力等）。MWD系統(tǒng)能夠 改善監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。
[0062] 并非所有參數(shù)是在地下測(cè)量的。實(shí)際上，目前仍然是在地表測(cè)量鉆頭的深度并且 將把深度發(fā)送到BHA。深度的井下測(cè)量可不再需要將深度數(shù)據(jù)從地表發(fā)送到BHA并且可增強(qiáng) 自動(dòng)化地下導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力和準(zhǔn)確度。
[0063] 盡管過(guò)去已經(jīng)研究了井下深度估計(jì)使其有可能消除基于地表的深度測(cè)量的誤差， 但目前還沒(méi)有可用的商用系統(tǒng)。在各種專利和公開(kāi)文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了許多思路，例如，使用 機(jī)械輪(US-5341886)、鉆具表(US-5896939，US-2008/0105423)、磁性標(biāo)記物-檢測(cè)器系統(tǒng) (US-5341886)、地理標(biāo)記的相關(guān)性(US-7283910)。
[0064] 在以上的旋轉(zhuǎn)之中，使用鉆具表是實(shí)現(xiàn)最不復(fù)雜的。然而，深度估計(jì)的準(zhǔn)確度常常 不及基于地表的測(cè)量。得自系統(tǒng)的深度估計(jì)相對(duì)粗糙，不準(zhǔn)確（以鉆桿接頭長(zhǎng)度為間隔），因 此不適于實(shí)時(shí)自動(dòng)化應(yīng)用。
[0065] 提議基于壓力或重力測(cè)量的深度測(cè)量系統(tǒng)(US-4475386，US-8113041)可僅僅估計(jì) 垂直深度并且在井下環(huán)境中需要魯棒的重力或壓力模型以及高準(zhǔn)確度測(cè)量。
[0066] 幾個(gè)作者已經(jīng)提議使用類似于用于火箭和飛機(jī)的惰性導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度計(jì)(1^_ 2008/0105423，US-2009/0084546，US-2002/0195276，US-5585726)。然而，這些系統(tǒng)遭遇積 分漂移并且需要輔助系統(tǒng)來(lái)校正它們的估計(jì)。
[0067] 使用波速以及源和位于鉆柱端部的接收器之間的波傳播時(shí)間可提議一系列新構(gòu) 思。這些構(gòu)思的線索來(lái)自隨鉆進(jìn)行的垂直地震剖面測(cè)量。應(yīng)用的波可以是鉆柱中的聲波、泥 漿柱中的壓力波或地下的電磁波。實(shí)現(xiàn)這些構(gòu)思的最大挑戰(zhàn)是創(chuàng)建準(zhǔn)確的速率模型和時(shí)鐘 的漂移。最新水平的基于石英的井下時(shí)鐘可具有將估計(jì)的深度的準(zhǔn)確度限于幾米的毫秒級(jí) 測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0068] 使用地理標(biāo)記的相關(guān)性進(jìn)行井下深度估計(jì)的固有優(yōu)點(diǎn)是，它可構(gòu)建在當(dāng)前隨鉆記 錄系統(tǒng)上，不需要開(kāi)發(fā)新的測(cè)量技術(shù)。另一方面，可基于模式識(shí)別方法用得自信號(hào)處理范疇 的圖像分析或交叉相關(guān)來(lái)構(gòu)建相關(guān)部分，這樣可進(jìn)一步減少總開(kāi)發(fā)工作量。這也是優(yōu)于其 他系統(tǒng)的優(yōu)異選擇，因?yàn)榭捎糜糜谌魏蔚乩碓O(shè)置的可用記錄數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試其可用性并且可針 對(duì)特定需要容易地調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0069] 參照?qǐng)D4A和圖4B，使用地理標(biāo)記進(jìn)行增量深度估計(jì)的構(gòu)思涉及用兩個(gè)或更多個(gè)傳 感器(S1、S2)沿著鉆孔進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，傳感器(S1、S2)布置在例如BHA中并且分開(kāi)已知距離 L。計(jì)算在這些測(cè)量中出現(xiàn)同一記錄特征的時(shí)間差。測(cè)得的時(shí)間差和已知的傳感器S1和S2之 間的空間間隔L允許計(jì)算平均機(jī)械鉆速(R0P)。可對(duì)計(jì)算出的R0P求積分，以計(jì)算沿著鉆孔1 的增量深度。
[0070] 在圖4A中示出布置的示意圖，其中，S1和S2是位于底部鉆具組合中并且分隔距離L 的相同傳感器。在圖4A中，第一傳感器S1在時(shí)間tl經(jīng)過(guò)具有高伽瑪射線特征的區(qū)域。第二傳 感器S2在時(shí)間t2經(jīng)過(guò)相同的高伽瑪射線特征gl。因?yàn)閭鞲衅飨喔艟嚯xL，所以鉆柱在時(shí)間 (t2-tl)內(nèi)已經(jīng)沿著鉆孔前進(jìn)距離L。
[0071] 因此，平均機(jī)械鉆速(R0P)是
[0073] 通過(guò)對(duì)R0P求積分，可計(jì)算深度變化Δ D:
[0074] AD = R0P*At (2)
[0075] 而可通過(guò)將各深度變化相加來(lái)計(jì)算增量深度D
[0077] 此構(gòu)思的要素之一是把多個(gè)記錄的相關(guān)聯(lián)以識(shí)別所有這些記錄上的地下的每個(gè) 特有點(diǎn)的出現(xiàn)。地下測(cè)量的相關(guān)面臨例如以下挑戰(zhàn)：
[0078] 1)鉆孔測(cè)量會(huì)具有錯(cuò)誤值，需要從待相關(guān)的數(shù)據(jù)集中過(guò)濾掉這些錯(cuò)誤值；
[0079] 2)在沿著鉆孔的同一位置進(jìn)行井下測(cè)量可能在各個(gè)傳感器上提供不同測(cè)量值。測(cè) 量之間的差異需要引入容差帶寬以考慮不同工具的測(cè)量精確度；
[0080] 3)在同一地層內(nèi)，沿著鉆孔的任何巖石屬性的測(cè)量值的變化會(huì)非常小。因此，為相 關(guān)而選擇的巖石屬性應(yīng)該具有比預(yù)期最小變化小的相關(guān)測(cè)量精確度。這樣會(huì)需要在不同地 層或不同傳感器設(shè)計(jì)中使用不同類型的測(cè)量。
[0081] 為了應(yīng)對(duì)以上提到的挑戰(zhàn)，指示這種相關(guān)運(yùn)用的算法需要是靈活的，以使算法能 夠適于地下化學(xué)和巖石屬性。通常，可使用任何合適的記錄組件或一組記錄組件進(jìn)行相關(guān)， 只要巖石屬性沿著鉆孔深度充分變化。
[0082] 系統(tǒng)對(duì)于傳感器位置是不敏感的。傳感器可靠近或遠(yuǎn)離鉆頭。優(yōu)選地，傳感器被包 括在BHA 12中。還可針對(duì)不同地下位置的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)進(jìn)行方位測(cè)量。
[0083]在圖5中示出針對(duì)該構(gòu)思的基本布置。第一傳感器S1是鉆孔中的前測(cè)量?jī)x器。第二 傳感器S2是后測(cè)量?jī)x器。
[0084] 第一傳感器S1收集到包括N個(gè)測(cè)量值的數(shù)據(jù)集Y。第二傳感器S2收集包括Μ個(gè)值的 第二數(shù)據(jù)集X或模式X。本文中，Μ〈Ν。控制單元20(圖5中未示出；參見(jiàn)例如圖3)嘗試使用預(yù)定 算法將數(shù)據(jù)集Μ匹配在數(shù)據(jù)集Ν內(nèi)的特定位置。數(shù)據(jù)集Ν足夠大，以包括對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)集Μ的所 有可能匹配。
[0085] 圖6示出用于說(shuō)明構(gòu)思的使用兩個(gè)傳感器布置進(jìn)行深度計(jì)算的算法的示例。可針 對(duì)不止一種巖石屬性或更多個(gè)傳感器來(lái)擴(kuò)展圖6的算法。以下，說(shuō)明算法的主要步驟。
[0086] 在第一步驟50中，開(kāi)始算法。算法可例如以設(shè)定的時(shí)間間隔來(lái)周期性開(kāi)始?？晒┻x 擇地，可通過(guò)顯著事件(例如，前傳感器S1測(cè)得的顯著增大或減小的值)觸發(fā)算法。
[0087] 在第二步驟52中，第一傳感器S1和第二傳感器S2提供分別包括Ν個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和Μ個(gè)數(shù) 據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集Υ和Χ(另外參見(jiàn)圖5)?？赏ㄟ^(guò)添加最新獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)并且去除最老的數(shù)據(jù)點(diǎn) 來(lái)動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)集Υ和X?？舍槍?duì)各特定情形和構(gòu)造來(lái)確定Μ和Ν的值。用來(lái)自后傳感器S2的 數(shù)據(jù)集X和來(lái)自前傳感器S1的數(shù)據(jù)集，在任何時(shí)間t s:
[0090] 各數(shù)據(jù)集中的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)按時(shí)間排序，以能夠進(jìn)行比較并且找尋各個(gè)數(shù)據(jù)集之間 的相關(guān)性。本文中的比較可考慮預(yù)定容差，以處理地層特定特性并且保持預(yù)選的準(zhǔn)確度。
[0091] 在第三步驟54中，可使用任何相關(guān)性算法來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)集X與數(shù)據(jù)集Y的可接受匹 配，使得：

[0095]下一個(gè)步驟56檢查是否發(fā)現(xiàn)可接受匹配。如果未發(fā)現(xiàn)，則機(jī)械鉆速(R0P)將被設(shè)置 成零(步驟58)并且深度將被更新(步驟60)。
[0096]如果在步驟56中發(fā)現(xiàn)可接受匹配，則將在步驟62中計(jì)算來(lái)自傳感器S1和S2的測(cè)量 值之間的時(shí)間差A(yù)t。
[0097]使用該時(shí)間差A(yù)t，計(jì)算機(jī)械鉆速(R0P)(步驟64)。如果傳感器之間的空間間隔是 L ：
[0100] 隨后，在步驟60中，更新深度?？墒褂脤?步驟64中計(jì)算的）平均R0P乘以時(shí)間差Δ t 來(lái)計(jì)算深度增大AD。本文中的深度是沿著鉆孔的增量深度。
[0101] 地理標(biāo)記的相關(guān)性中的構(gòu)成之一是匹配來(lái)自多個(gè)傳感器的響應(yīng)。為了處于特定目 的找尋最有效的模式匹配算法，探查不同的領(lǐng)域(諸如，文本編輯器中的串匹配、信號(hào)處理 和圖像處理）。這些方法中的每種表現(xiàn)出自身的優(yōu)點(diǎn)，從而致使其均最適于不同情形。優(yōu)選 地，最終選擇的算法是最有效的并且能被用于鉆孔中的應(yīng)用?；谙率龅奶囟ㄐ枰蛿?shù)據(jù) 集的屬性，進(jìn)行本發(fā)明中的針對(duì)相關(guān)性的可能匹配算法的選擇。
[0102] 1.數(shù)據(jù)集中的所有數(shù)據(jù)是數(shù)字。這樣允許使用數(shù)字運(yùn)算來(lái)比較可能的匹配。
[0103] 2.由于模式X和數(shù)據(jù)集Y的已知大小，導(dǎo)致可根據(jù)需要將導(dǎo)致不匹配的容差帶外的 測(cè)量值的數(shù)量上限進(jìn)行定性和選擇，以簡(jiǎn)化復(fù)雜性。
[0104] 3.不匹配僅限于具有與數(shù)據(jù)集X中的值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集Y中的不同值。不匹配不包括 缺失數(shù)據(jù)集X和數(shù)據(jù)集Y中的值的情況。
[0105] 4.給定容差內(nèi)的兩個(gè)值應(yīng)該被視為匹配。
[0106] 5.在時(shí)常沒(méi)有合適匹配的情況下，可針對(duì)步驟64中的R0P計(jì)算，忽略各個(gè)測(cè)量值或 數(shù)據(jù)點(diǎn)（例如，特定時(shí)間ts的數(shù)據(jù)集X，或所述數(shù)據(jù)集X的數(shù)據(jù)點(diǎn)）。替代地，可使用前一 R0P來(lái) 進(jìn)行步驟60中的深度計(jì)算，因?yàn)镽0P不會(huì)從一個(gè)測(cè)量急劇變化成下一個(gè)。
[0107] 6.相比于編輯器中的文本搜索問(wèn)題，數(shù)據(jù)集X和數(shù)據(jù)集Y的大小可被視為是相對(duì)小 的。因此，預(yù)期匹配算法禁止出現(xiàn)任何計(jì)算能力相關(guān)問(wèn)題，即使是使用強(qiáng)力算法。
[0108] 基于獨(dú)特需要和問(wèn)題的簡(jiǎn)化，以下在本文中考慮并且說(shuō)明用于模式匹配的兩個(gè)可 能的解決方案。
[0109] 1.歸一化的交叉相關(guān)算法
[0110] 交叉相關(guān)是在信號(hào)處理中用于識(shí)別兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)滯的方法。在地表接收到記 錄之后，在確定鉆孔末端的平均機(jī)械鉆速時(shí)使用該方法。交叉相關(guān)方法對(duì)于所有可能的匹 配計(jì)算相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的最高值識(shí)別最有可能的匹配。模式的大小仍然保持可變的選 擇并且可被最佳化。這種方法就計(jì)算而言可比其他算法的成本更高，因?yàn)樾枰獧z查所有可 能的匹配和/或可涉及更復(fù)雜的計(jì)算。
[0111] 如果分別通過(guò)前傳感器S1和后傳感器S2進(jìn)行的測(cè)量取得N數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集Y和Μ數(shù) 據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集X，使得適用公式⑷、(5)、(6)和⑴，貝嗵過(guò)以下給出任何子集c: 的相關(guān)系數(shù)：
[0113] 公式（10)中的分母用于將相關(guān)系數(shù)歸一化，使得-1< rdl，其中，界限(值-1或1) 指示最大相關(guān)并且"〇"指示不相關(guān)。高的負(fù)相關(guān)指示高相關(guān)，但是一系列之一的倒數(shù)。
[0114] 交叉相關(guān)性的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)之一是操縱傳感器中的任何漂移的能力。傳感器漂移噪聲 的任何偏移將不影響交叉相關(guān)系數(shù)，因?yàn)槠七€將反映在分子和分母中的被從數(shù)據(jù)集Y和 數(shù)據(jù)集X二者中減去的平均值，從而使交叉相關(guān)性系數(shù)不變。
[0115] II.混合匹配算法
[0116] 混合匹配算法模式是用于應(yīng)用記錄相關(guān)性的匹配算法，并且是強(qiáng)力方法和平方距 離方法的組合。相關(guān)算法首先使用強(qiáng)力方法基于擬合和容差標(biāo)準(zhǔn)來(lái)找尋可能的匹配。如果 不止一個(gè)匹配達(dá)標(biāo)，則選擇具有最小平方距離的匹配。
[0117] 混合匹配算法靈活地用于不同大小的數(shù)據(jù)集X和Y(分別地，數(shù)據(jù)點(diǎn)Μ和N的數(shù)量）。 這允許根據(jù)地層屬性和鉆孔參數(shù)的變化進(jìn)行匹配?？苫跍y(cè)量的類型來(lái)選擇容差和擬合需 要的值。
[0118] 以下，在本文中，針對(duì)控制擬合選擇和基于統(tǒng)計(jì)的容差的伽瑪射線測(cè)量來(lái)說(shuō)明算 法。參照?qǐng)D7說(shuō)明算法的流程圖。
[0119] 算法開(kāi)始于步驟70所指示的預(yù)定時(shí)間。
[0120] 在第二步驟72中，設(shè)置匹配需要μ(用單位％表達(dá)）。
[0121] 隨后，在步驟74中，第一傳感器S1和第二傳感器S2提供分別包括Ν個(gè)和Μ個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)集Υ和X。
[0122] 在步驟76中，并且進(jìn)一步地，針對(duì)τ = η，計(jì)算容差τ，其中，i = [ 1，Μ]。
[0123] 對(duì)于各i = l、2、…(Ν-Μ+1)，算法檢查是否| xi-yi | < η。初始地，在步驟78中選擇數(shù) 據(jù)集X的第一值并且在步驟80中進(jìn)行比較。
[0124] 對(duì)于j = l、2'"M(步驟82)，算法檢查是否 |xj-yi+j-1| < Tj。
[0125] 如果計(jì)數(shù)2 μ，則算法結(jié)束。
[0126] 在步驟84中，如果實(shí)現(xiàn)了匹配需要，則接受數(shù)據(jù)集X。本文中的匹配需要是例如步 驟72中設(shè)置的匹配需要μ(用單位％表達(dá)）。
[0127] 如果數(shù)據(jù)集X被作為匹配接受，則在步驟86中，計(jì)算平方距離。
[0128] 針對(duì)數(shù)據(jù)集Υ中的每個(gè)值，重復(fù)以上步驟。在步驟90中設(shè)置階梯增量，并且從步驟 78起重復(fù)匹配處理。
[0129] 當(dāng)達(dá)到數(shù)據(jù)集Υ中的第(Ν-Μ+1)值時(shí)，即，當(dāng)數(shù)據(jù)集X與整個(gè)數(shù)據(jù)集Υ相匹配時(shí)，步驟 88參考通向步驟92的數(shù)據(jù)，以得到步驟86中提供的所有計(jì)算出的平方距離的最小平方距離 匹配。
[0130] 測(cè)量相同地層屬性的兩個(gè)傳感器S1和S2之間的距離可對(duì)于計(jì)算出的深度關(guān)聯(lián)的 誤差產(chǎn)生影響。這個(gè)效果是由于任何時(shí)間計(jì)算出的R0P是時(shí)間間隔內(nèi)的R0P值的平均值的事 實(shí)導(dǎo)致的，因?yàn)閭鞲衅鱏1和S2經(jīng)過(guò)同一地下位置。本文中計(jì)算出的ROP涉及作為如上所述的 作為計(jì)算出的井下的R0P。誤差引入在地表記錄的R0P和井下計(jì)算出的平均R0P之間的差異。
[0131] 經(jīng)常，深度的計(jì)算值比深度的實(shí)際測(cè)量值高。在測(cè)試中，誤差幾乎從大約1% (對(duì)于 大約lm的傳感器空間間隔距離L)線性增大至大約3%至3.5% (對(duì)于大約10m的距離L)。
[0132] 計(jì)算出的R0P波動(dòng)越大，平均和關(guān)聯(lián)誤差的效果越大。如果可消除R0P的波動(dòng)，則可 避免與R0P平均關(guān)聯(lián)的誤差，并且能實(shí)現(xiàn)理論上的零誤差。
[0133] 這些值與混合匹配算法相關(guān)?？赏ㄟ^(guò)高斯分布逼近伽瑪射線測(cè)量，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講， 任何位置處的測(cè)量的大約68%應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)（± 〇)的計(jì)數(shù)。對(duì)于高斯分布，可通 過(guò)總計(jì)數(shù)的平方根來(lái)逼近標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用誤差的傳播規(guī)則，可通過(guò)以下給出來(lái)自同一設(shè)計(jì) 的不同傳感器的兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間的總標(biāo)準(zhǔn)偏差(〇t)
[0135]其中，~和％是同一位置測(cè)得的計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
[0137] 可使用總標(biāo)準(zhǔn)偏差(〇t)作為找尋可接受匹配的容差(τ)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，來(lái)自對(duì)應(yīng) 于同一位置的兩個(gè)傳感器的時(shí)間值中的大約68%應(yīng)該處于± 〇t的容差帶內(nèi)，這樣將提供針 對(duì)± 〇t容差的68 %的擬合需要。
[0138] 因?yàn)閥(tP)是未知的并且需要找尋，所以總標(biāo)準(zhǔn)偏差可被逼近為：
[0140]在漂移的情況下，以上計(jì)算出的容差值不可保持有效。如果漂移即時(shí)增大，則可隨 時(shí)間推移添加和更新引起漂移的額外項(xiàng)?？赏ㄟ^(guò)模式（即，數(shù)據(jù)集X)的平均值和可能匹配之 間的差異來(lái)逼近由于漂移導(dǎo)致的偏移，使得：
[0142]并且可通過(guò)以下給出新容差值τ
[0144] 將在其中搜索模式（即，數(shù)據(jù)集）的匹配的數(shù)據(jù)集Υ的大小優(yōu)選地長(zhǎng)得足以包含所 有情形下的模式。因需要將找尋故障匹配的任何可能性降至最低來(lái)提供數(shù)據(jù)集大小的上 限，隨著數(shù)據(jù)集大小增加，該可能性將增加。為了將故障匹配的發(fā)生降至最低，數(shù)據(jù)集Y的大 小優(yōu)選地保持最小。在計(jì)算出的平均R0P和已知的傳感器間隔距離L的幫助下，可限定逼近 時(shí)間窗，在逼近時(shí)間窗中，期望后傳感器S2經(jīng)過(guò)前傳感器S1的位置。
[0145] 假定平均R0P = RP并且傳感器距離是L。用P指示R0P中的不確定性。可通過(guò)以下給 出用于搜索模式的時(shí)間窗Ta:
[0147]如果通過(guò)ω給出用于進(jìn)行各測(cè)量的時(shí)間窗，則通過(guò)以下給出數(shù)據(jù)集Y的長(zhǎng)度
[0149] 模式（即，數(shù)據(jù)集）的大小還可以是待優(yōu)化的參數(shù)。模式優(yōu)選地長(zhǎng)得足以捕獲足夠 的變量，從而有助于找尋數(shù)據(jù)集Y中的特有對(duì)應(yīng)匹配。然而，計(jì)算上，功率和時(shí)間的考慮導(dǎo)致 數(shù)據(jù)集X的大小的上限。模式大小可被選定為針對(duì)特定地層的常數(shù)。對(duì)于另一個(gè)地層，可使 用算法重復(fù)地優(yōu)化數(shù)據(jù)集X的大小。
[0150] 例如，使用來(lái)自兩個(gè)傳感器S1和S2的響應(yīng)的線性回歸分析，可估計(jì)數(shù)據(jù)集X的最佳 大小。因?yàn)閬?lái)自兩個(gè)傳感器S1和S2的測(cè)量值之間的差異可被表現(xiàn)為高斯噪聲，所以針對(duì)數(shù) 據(jù)集X的最小代表性模式大小將優(yōu)選地提供數(shù)據(jù)集Y和數(shù)據(jù)集X的測(cè)量值之間的線性關(guān)系。 即，這兩個(gè)傳感器在預(yù)定容差內(nèi)測(cè)量特定地下位置的近似數(shù)量的被計(jì)數(shù)的伽瑪射線。一旦 滿足這個(gè)線性關(guān)系，在數(shù)據(jù)集X中添加更多數(shù)據(jù)點(diǎn)就將在模式中添加值。
[0151] 為了估計(jì)通過(guò)基于混合匹配和/或交叉相關(guān)的算法計(jì)算出的噪聲水平、傳感器漂 移和總計(jì)數(shù)的效果，運(yùn)行各種模擬。針對(duì)每種情況，采集時(shí)間上的絕對(duì)誤差。選擇25個(gè)數(shù)據(jù) 點(diǎn)(數(shù)據(jù)集X)的模式大小和100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（數(shù)據(jù)集Y)的設(shè)置大小。為了避免由于不匹配導(dǎo)致 的不切實(shí)際的高RP，針對(duì)R0P，設(shè)置150米/小時(shí)的上限。
[0152] 通過(guò)模擬得到的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：
[0153] 1.交叉相關(guān)保持不受偏移的影響并且產(chǎn)生相同的結(jié)果；
[0154] 2.隨著總計(jì)數(shù)的增大，最大誤差減?。?br>[0155] 3.總體上，隨著噪聲級(jí)的增大，誤差增大；
[0156] 4.由于R0P本身的平均而導(dǎo)致的誤差可高達(dá)大約22m;
[0157] 5.誤差更快速地在鉆孔的更多水平片段上增大。在水平片段上，伽瑪射線讀數(shù)的 變化更受限制，這樣會(huì)導(dǎo)致認(rèn)為錯(cuò)誤匹配被用于深度計(jì)算。
[0158]以上，伽瑪射線測(cè)量被描述為模式匹配的可能測(cè)量，但其他測(cè)量也會(huì)是合適的。例 如，還可出于增量深度測(cè)量的相同目的，考慮密度測(cè)量。伽瑪射線和密度測(cè)量提供了良好的 可重復(fù)性。
[0159] 總體上，基于密度數(shù)據(jù)估計(jì)的深度可以與基于伽瑪射線的結(jié)果一樣好或者更好。 基于密度的測(cè)量的最大偏差可以是相對(duì)于地表測(cè)得深度的大約l〇m(基于，桿片段的數(shù)量， SP，鉆柱的長(zhǎng)度）?；谫が斏渚€的深度測(cè)量的最大偏差可以是大約15m至20m。實(shí)際上，密度 測(cè)量需要有源中子源。
[0160] 在用記錄相關(guān)性計(jì)算出的深度的兩個(gè)誤差源：
[0161] 1.錯(cuò)誤識(shí)別的匹配；以及
[0162] 2.R0P 平均。
[0163] 由于因地下測(cè)量的相關(guān)，深度計(jì)算有固有限制以使測(cè)得深度的整體誤差降至最 低，導(dǎo)致輔助系統(tǒng)優(yōu)選地與提議的系統(tǒng)并行使用。輔助系統(tǒng)所需的測(cè)量頻率取決于主系統(tǒng) 的誤差和可接受誤差的限制值。接下來(lái)，說(shuō)明用于此輔助系統(tǒng)的兩種可能方法。與提議的系 統(tǒng)并行地，添加一個(gè)或多個(gè)輔助系統(tǒng)可提高深度估計(jì)的整體質(zhì)量。
[0164] 在鉆具表數(shù)據(jù)的幫助下進(jìn)行校正
[0165] 在估計(jì)深度中引入校正的最早解決方案之一是從地表起下行。鉆柱的總長(zhǎng)度以鉆 桿片段數(shù)量的形式可得自地表。例如，鉆桿的各片段可具有例如大約l〇m的長(zhǎng)度。鉆柱的總 長(zhǎng)度是大約等于片段數(shù)量的10倍。鉆孔的增量深度將大約等于鉆柱的這個(gè)總長(zhǎng)度，至少在 鉆頭接合鉆孔的井下端時(shí)。鉆桿的總長(zhǎng)度可被發(fā)送并且存儲(chǔ)到井下系統(tǒng)中?？稍谛纬摄@桿 的各片段時(shí)觸發(fā)信號(hào)24。然后，信號(hào)4可通過(guò)泥漿柱發(fā)送到井下(參見(jiàn)圖2)。
[0166] 在接收到信號(hào)24時(shí)，井下系統(tǒng)可識(shí)別鉆柱中添加了另一個(gè)桿接頭。逐漸地添加將 各管狀片段的長(zhǎng)度使得井下系統(tǒng)能夠計(jì)算井中的鉆柱的總長(zhǎng)度，因此計(jì)算鉆孔的相關(guān)增量 深度。在圖8中說(shuō)明用于此系統(tǒng)的算法。
[0167] 算法開(kāi)始于步驟100
[0168] 在第二步驟102中，井下控制單元20檢查是否添加了鉆桿的額外片段。實(shí)際上，控 制單元檢查它是否已經(jīng)接收到指示添加鉆桿片段的泥漿脈沖信號(hào)24(參見(jiàn)圖2)。
[0169] 如果沒(méi)有接收到信號(hào)24,則算法繼續(xù)到步驟106,其中，計(jì)算井下深度。隨后，在步 驟112中更新增量深度。
[0170]如果控制單元20確實(shí)接收到信號(hào)24,則在步驟104中，算法指示添加鉆桿片段。
[0171] 在步驟108中，算法得到鉆柱中包括的桿片段的最近數(shù)量。所述數(shù)量提供了鉆柱總 長(zhǎng)度的度量。
[0172] 在步驟110中，算法通過(guò)將一個(gè)鉆桿片段的預(yù)定長(zhǎng)度與最近存儲(chǔ)的增量深度相加， 計(jì)算鉆孔的增量深度。即，當(dāng)前增量深度=最近深度+1個(gè)鉆桿片段長(zhǎng)度。
[0173] 在步驟112中，存儲(chǔ)井下的當(dāng)前增量深度，并且取代最近深度。
[0174] 盡管這個(gè)系統(tǒng)利用泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)來(lái)傳遞信號(hào)24,但由于不經(jīng)常進(jìn)行傳遞(取 決于接頭長(zhǎng)度和R0P)，整體帶寬要求將受到限制。然而，基于地表的測(cè)量的誤差也滲透到井 下測(cè)量系統(tǒng)，并且在不引入用于估計(jì)與基于地表的測(cè)量關(guān)聯(lián)的誤差的任何算術(shù)模型的情況 下，不可進(jìn)行絕對(duì)校正。
[0175] 通過(guò)人造標(biāo)記跟蹤進(jìn)行校正
[0176] 基于地理標(biāo)記相關(guān)性的構(gòu)思，增量深度的井下估計(jì)的另一個(gè)構(gòu)思是基于在地下形 成標(biāo)記。原理基本上是關(guān)于在時(shí)間tl使用源120(N)在地層2中形成標(biāo)記122(圖9A)，然后在 時(shí)間t2用后檢測(cè)器124(D)檢測(cè)標(biāo)記122。
[0177] 當(dāng)檢測(cè)器124檢測(cè)到標(biāo)記122時(shí)，推導(dǎo)出鉆柱已經(jīng)前進(jìn)了距離L，該距離L等于源122 和檢測(cè)器124之間的間隔L。增量井下深度可被計(jì)算為標(biāo)記-檢測(cè)器間隔L的多倍。也可通過(guò) 測(cè)量形成標(biāo)記和檢測(cè)標(biāo)記之間的時(shí)間差A(yù) t = (t2-tl)來(lái)計(jì)算平均R0P。
[0178] 源120可以是核源。基于諸如Californium-252的放射性核素或加速劑的系統(tǒng)可用 作記錄的核源，即，能夠測(cè)量諸如本體密度和孔隙率的地下屬性。在用中子轟擊地下元素 時(shí)，可激活這些元素，使核素不穩(wěn)定，核素在去激活時(shí)產(chǎn)生具有特定特性的輻射?？稍诳汕?換或脈動(dòng)中子源的幫助下，激活鉆孔的特定片段。中子源可以是商購(gòu)的脈動(dòng)中子發(fā)生器。脈 動(dòng)中子裝減? PND?_):譜儀是例如由國(guó)際有限公司市售的。
[0179] 地層中的被激活元素的輻射可包括任何核輻射、α、β或γ射線。實(shí)際上，輻射將是 γ射線輻射。本文中的γ射線指示電磁輻射，具有近似于X射線的波長(zhǎng)，但通常具有較短波 長(zhǎng)，進(jìn)而具有較高頻率。本文中的伽瑪輻射源自伽瑪衰減，即，將經(jīng)常發(fā)射單伽瑪光子的被 激活核的衰減。
[0180] 通過(guò)識(shí)別源自不穩(wěn)定核素的特征發(fā)射，可識(shí)別這種發(fā)射的位置。這樣提供了地下 標(biāo)記-檢測(cè)器系統(tǒng)使用中子發(fā)生器作為中子源120以形成被激活地帶作為標(biāo)記122并且使用 核輻射檢測(cè)器124檢測(cè)被激活地帶發(fā)射的核輻射的構(gòu)思。檢測(cè)器124可以是基于伽瑪射線探 測(cè)器的檢測(cè)器。
[0181] 地層通常包括巨量的各種元素，這些元素例如構(gòu)成巖石地層的化合物和相關(guān)流 體。然而，并非所有地下元素適于本發(fā)明的標(biāo)記-檢測(cè)器系統(tǒng)。元素的實(shí)用性取決于三個(gè)主 要因素：
[0182] 1.中子俘獲剖面:這意味著給定溫度下針對(duì)給定中子能量的任何核素被激活的概 率；
[0183] 2.地下的豐度:濃度越高，被激活原子的產(chǎn)量將越高并且源自去激活的特征輻射 越多。
[0184] 3.衰減常數(shù):因俘獲中子而形成的放射性核素的半衰期意味著任何給定時(shí)間的衰 減原子的數(shù)量。在極短時(shí)間內(nèi)高度不穩(wěn)定衰減的核素會(huì)不足以使檢測(cè)器達(dá)到被激活位置并 且俘獲衰減光子。另一方面，幾乎穩(wěn)定的核素將不衰減充足的數(shù)量，以提供可檢測(cè)信號(hào)。
[0185] 在考慮到地下最常見(jiàn)元素的半衰期時(shí)，最有利元素中的一些是氯同位素 C1-37、硅 同位素 Si-30和天然鈉 Na-23。氯原子和鈉原子二者都在含鹽地層水中作為離子存在。硅常 常出現(xiàn)在砂質(zhì)和泥質(zhì)地層中的娃酸鹽礦物質(zhì)中。即使氯和娃本質(zhì)是豐富的，C1-37和Si-30 同位素也經(jīng)常以較低濃度(分別地，24%和3%)出現(xiàn)并且具有較低的中子俘獲剖面(分別 地，0.433和0.11靶）。會(huì)需要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算來(lái)評(píng)價(jià)被激活原子和所得光子的數(shù)量。
[0186] 對(duì)于任何被激活元素，在任何給定時(shí)間點(diǎn)，衰減的量取決于放射性核素的濃度。隨 著時(shí)間增加，被激活核素的濃度呈指數(shù)減小，源自衰減的輻射也如此。因此，為了得到更強(qiáng) 的信號(hào)，優(yōu)選地，檢測(cè)器和源之間的間隔小。但是來(lái)自源的中子在所有可能方向上前進(jìn)并且 不限于源正上方的地層。由于在標(biāo)記-檢測(cè)器間隔較小的情況下，激活區(qū)域較大，因此精確 定位對(duì)應(yīng)于激活的源位置是非常困難的。因此，需要決定源和檢測(cè)器之間的距離，使得被激 活核的濃度保持足夠高，而位置保持不可區(qū)分。另外，檢測(cè)器可與中子源屏蔽。
[0187] 為了研究構(gòu)思的可行性和來(lái)自地下被激活核的所得信號(hào)，執(zhí)行核模擬來(lái)模擬地下 的中子和光子傳輸。用MCNP執(zhí)行這些模擬。這是夠通過(guò)整體幾何形狀進(jìn)行基于模擬時(shí)間的 核粒子(諸如，中子、光子和電子)的傳輸?shù)幕诿商乜宓耐ㄓ煤宿D(zhuǎn)運(yùn)代碼。基于蒙特卡洛 的計(jì)算涉及用各粒子的概率分布在使用隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)取樣的幫助下各粒子的行為 模擬。它由實(shí)際上遵循在來(lái)自粒子源的各粒子在其從生到滅的整個(gè)過(guò)程中的結(jié)束類別（吸 收、逸出等）。使用傳輸數(shù)據(jù)對(duì)概率分布進(jìn)行隨機(jī)取樣，以確定其壽命中各階段的結(jié)果。構(gòu)思 驗(yàn)證需要兩個(gè)問(wèn)題的模擬：
[0188] 1.激活合適的同位素
[0189] 2.檢測(cè)因去激活而生成的光子
[0190] 這兩個(gè)問(wèn)題都需要在MCNP代碼中進(jìn)行分開(kāi)的模擬。在來(lái)自中子發(fā)生器的中子的第 一模擬轉(zhuǎn)運(yùn)中，在地層中執(zhí)行中子的俘獲。第一問(wèn)題的輸出給出因中子俘獲而得到的被激 活同位素的位置。使用這個(gè)輸出來(lái)形成針對(duì)第二問(wèn)題的輸入。因?yàn)楣庾拥钠鹗嘉恢檬潜患?活核素的位置并且是已知的，為了完成第二問(wèn)題的輸入，使用在隨機(jī)數(shù)字和核素的衰減常 數(shù)的幫助下對(duì)衰減時(shí)間的統(tǒng)計(jì)學(xué)取樣將衰減的時(shí)間與各核素關(guān)聯(lián)。在第二模擬中使用這個(gè) 間隔和時(shí)域光子源來(lái)模擬光子在地下的運(yùn)轉(zhuǎn)，以對(duì)可到達(dá)檢測(cè)器的光子的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。 這些光子將檢測(cè)器中的信號(hào)的強(qiáng)度定量并且其數(shù)量應(yīng)該大得足以被檢測(cè)到并且與背景噪 聲區(qū)分開(kāi)，以便實(shí)施該構(gòu)思。
[0191] 在第一模擬中，形成地層的簡(jiǎn)化模型。包括巖石塊(地層）的模型包括核源處于其 中的鉆孔。巖石塊是5m X 5m X 5m。鉆孔的直徑是20cm。核源是5cm高。模型化巖石類型是具有 30 %孔隙率和30，OOOppm的鹽分的沙石儲(chǔ)層。
[0192] 假設(shè)鹽分主要是由于有氯化鈉。本文中，大概氯原子的大約25%是天然的C1-37同 位素。
[0193] 用水模型化填充直徑20cm的鉆孔，以使用基于水的鉆井流體來(lái)模擬鉆井。中子源 和檢測(cè)器優(yōu)選地被包括在BHA中。因此，源和檢測(cè)器被認(rèn)為是位于鉆孔的軸上。中子源是 14. IMeV的、每秒大約108個(gè)中子的中子產(chǎn)量的D-T源。這是脈動(dòng)中子發(fā)生器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 格。源被建模為5cm長(zhǎng)且直徑為3cm的圓柱體(圖10B) 〇
[0194] 在第二模擬中，檢測(cè)器124被建模為具有5cm的高度Η并且具有6.5cm的內(nèi)徑ri和 8cm外徑r。的井型設(shè)計(jì)的Nal閃爍晶體，以得到較大的俘獲量（圖10A)。檢測(cè)器將在向前鉆井 的同時(shí)隨著B(niǎo)HA移動(dòng)。
[0195] 為了確定關(guān)于信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)器位置的效果，將四個(gè)檢測(cè)器124建模(如圖10B中 所示）。一個(gè)檢測(cè)器124(1)被建模在源120的位置。其他三個(gè)檢測(cè)器被設(shè)置成與源120的間隔 距離是10cm(檢測(cè)器124(2))、15cm(檢測(cè)器124(3))和20cm(檢測(cè)器124(4))。針對(duì)各檢測(cè)器， 計(jì)算隨時(shí)間的光子通量，以識(shí)別其中信號(hào)強(qiáng)度充分強(qiáng)的時(shí)間窗。
[0196] 針對(duì)108個(gè)中子執(zhí)行中子運(yùn)轉(zhuǎn)模擬。在所謂的PTRAC文件中得到各被激活核的位 置。在后續(xù)處理PTRAC文件時(shí)，發(fā)現(xiàn)被激活原子Na-23、Cl-37和Si-30的數(shù)量分別是14050、 3222和5555。因?yàn)槊商乜_模擬使用的是概率分布的隨機(jī)取樣，所以結(jié)果的不確定性常常 隨著工作用源離子的數(shù)量(nps)的增大而減小。當(dāng)源離子的數(shù)量增大10倍時(shí)，檢測(cè)器4中的 105秒（27.8小時(shí)）內(nèi)的每個(gè)源離子的總通量的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小至31 % (從0.0325減小至 0.0100)。
[0197] 當(dāng)中子從源均勻地在所有方向上開(kāi)始時(shí)，所關(guān)注的是檢驗(yàn)沿著鉆孔的軸被激活的 核的擴(kuò)展。測(cè)試表明，被激活核的軸向擴(kuò)散限于相對(duì)于源位置的大約20cm。最大數(shù)量的被激 活核將處于源的位置。在源位置的兩側(cè)，根據(jù)高斯分布，被激活核的數(shù)量將下降。測(cè)試表明， 沿著鉆孔軸的被激活核的數(shù)量下降至小于相對(duì)于源位置的50%，在+/-5cm內(nèi)。被激活核相 對(duì)于標(biāo)記122的軸向中心的軸向擴(kuò)散限于大約20cm?？赏ㄟ^(guò)使用準(zhǔn)確檢測(cè)器來(lái)提高檢測(cè)準(zhǔn) 確度。
[0198] 由于軸線擴(kuò)散受限制，導(dǎo)致可以以相對(duì)良好的準(zhǔn)確度來(lái)確定標(biāo)記122的軸向位置。 準(zhǔn)確度是例如大約+/_5至10cm。使用本發(fā)明的標(biāo)記-檢測(cè)器檢測(cè)核標(biāo)記能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度可 以是大約+/-5cm或更小。因此，本發(fā)明的標(biāo)記系統(tǒng)可提高增強(qiáng)深度測(cè)量的準(zhǔn)確度，例如當(dāng)使 用本發(fā)明的核標(biāo)記系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)時(shí)。
[0199] 檢測(cè)器中的信號(hào)強(qiáng)度取決于
[0200] 1.檢測(cè)器與被激活位置的接近度；以及
[0201 ] 2.在激活核標(biāo)記之后過(guò)去的時(shí)間。
[0202]放射性核素遵循指數(shù)衰減。如果每個(gè)時(shí)間單元產(chǎn)生的光子的數(shù)量保持恒定，則檢 測(cè)器中的信號(hào)應(yīng)該在接近被激活位置122的同時(shí)由于被激活核的濃度增大而增大。但是，由 于指數(shù)衰減，導(dǎo)致核標(biāo)記發(fā)射的光子的數(shù)量和關(guān)聯(lián)信號(hào)在時(shí)間上呈指數(shù)減小。因此，檢測(cè)器 124中的實(shí)際信號(hào)將是由于檢測(cè)器接近源位置而導(dǎo)致信號(hào)線性增大（即，隨著在鉆井期間在 圖10B中檢測(cè)器從位置3移動(dòng)到2到1到4,信號(hào)強(qiáng)度增大并且隨后減小)和核發(fā)射信號(hào)本身呈 指數(shù)減小的結(jié)果。
[0203]光子轉(zhuǎn)運(yùn)的分析已經(jīng)表明，在接近被激活地帶的同時(shí)，通量增大例如從20cm至0cm 的距離的大約5倍。假設(shè)最適宜的R0P是大約8米/小時(shí)，可在大約90秒內(nèi)鉆出20cm的距離。在 這90秒期間，核發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度減小不到5%。對(duì)于大約5至15英尺/小時(shí)（1.5至5米/小時(shí)） 的范圍內(nèi)的R0P，可在大約8分鐘至2.4分鐘內(nèi)鉆出20cm的距離。在一些典型元素的半衰期 內(nèi)，這是很好的，從而使得能夠在所指示的準(zhǔn)確速率下使用本系統(tǒng)。例如，氯C1-38具有大約 37分鐘的半衰期，而鈉 Na-24具有大約15小時(shí)的半衰期。根據(jù)提供核衰減信號(hào)的特定同位 素，核發(fā)射的信號(hào)前度減小減少(差不多）不足5%。當(dāng)檢測(cè)器接近被激活地帶122時(shí)的信號(hào) 強(qiáng)度增大是相比于典型指數(shù)核衰減的主導(dǎo)因素。
[0204] 依據(jù)上文，在具有大約8米/小時(shí)或更多的機(jī)械轉(zhuǎn)速的典型鉆井操作期間，盡管有 核衰減，但以上(即，大約+/-5cm或更?。┑臏?zhǔn)確性將是能實(shí)現(xiàn)的。
[0205] 針對(duì)入射伽瑪射線生成的光子數(shù)量基于檢測(cè)器中使用的閃爍晶體的類型而變化。 然而，對(duì)于每種晶體，將入射伽瑪射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光光子的效率取決于日射輻射的幾何形 狀和能量。
[0206] 橫越檢測(cè)器的大部分光子的能量是大約0.5MeV或更小。隨著閃爍晶體的效率隨著 光子能量減小而增大(例如，Nal，參見(jiàn)圖10A)，這將導(dǎo)致檢測(cè)器中的信號(hào)較高。與Si-31、C1-38和Na-24的特征能量相關(guān)的峰值分別是大約1.3MeV、2. IMeV和2.75MeV。
[0207] 峰值相對(duì)小，所以檢測(cè)器124優(yōu)選地相對(duì)敏感。例如，在實(shí)施例中，檢測(cè)器可包括多 個(gè)檢測(cè)器元件，它們一起提供標(biāo)記122的檢測(cè)信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器可相對(duì)大。實(shí) 際上，本文中相對(duì)大的檢測(cè)器將意味著包括相對(duì)大檢測(cè)表面或檢測(cè)晶體的檢測(cè)器。以下，更 詳細(xì)地說(shuō)明后者。
[0208] 井下深度估計(jì)的動(dòng)機(jī)是應(yīng)用井下深度估計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化地下導(dǎo)航。準(zhǔn)確深度估計(jì)可 有助于基于閉環(huán)進(jìn)行自動(dòng)化地下導(dǎo)航。井下可用的深度估計(jì)還可消除由于基于表面的R0P 和深度測(cè)量導(dǎo)致的誤差。
[0209] 在后續(xù)部分中，提出針對(duì)自動(dòng)化地下導(dǎo)航的方案。本文中，使用井下深度和測(cè)量數(shù) 據(jù)來(lái)遵循預(yù)定的鉆孔軌跡結(jié)合可操縱的鉆井系統(tǒng)。
[0210] 地下導(dǎo)航的主要目的是：
[0211] 1.在保持最佳井軌跡的同時(shí)，到達(dá)儲(chǔ)層；
[0212 ] 2.在實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向目的的同時(shí)，遵循儲(chǔ)層;和/或
[0213] 3.避免在去往儲(chǔ)層的路上的地理危害。
[0214] 圖11示出使用自動(dòng)化可操縱鉆井到達(dá)靶儲(chǔ)層的簡(jiǎn)化方案。
[0215] 用于自動(dòng)化鉆井的方案開(kāi)始于第一步驟140。
[0216] 在步驟142中，形成合成記錄。本文中的合成記錄是基于預(yù)期地層的預(yù)期屬性的預(yù) 先計(jì)算出的記錄結(jié)果。所述預(yù)期屬性和預(yù)期地層是使用在開(kāi)始井下鉆井之前指定的地理測(cè) 試的結(jié)果通過(guò)專業(yè)地理軟件提供的。合成記錄是在鉆井開(kāi)始之前預(yù)先計(jì)算出的，并且被存 儲(chǔ)在聯(lián)接到控制單元2 0的存儲(chǔ)介質(zhì)中。在自動(dòng)化鉆井中，所述存儲(chǔ)介質(zhì)（未示出）和控制單 元20被包括在BHA(參見(jiàn)圖3)中。
[0217] 如步驟146所指示的，通常包括在BHA 12中的隨鉆記錄(LWD)工具(未示出）提供了 隨鉆的地層記錄結(jié)果。
[0218] 在后續(xù)步驟146中，該方案將LWD工具的記錄結(jié)果與合成記錄結(jié)果進(jìn)行比較。
[0219] 在下一個(gè)步驟148中，該方案檢查記錄結(jié)果是否指示鉆孔的井下端是否已經(jīng)到達(dá) 預(yù)定地層。本文中，該方法可考慮特定閾值特性(諸如，深度、地層壓力、密度、電阻率等）。
[0220] 如果步驟148的結(jié)果指示鉆孔在相對(duì)于儲(chǔ)層的預(yù)定閾值距離內(nèi)，則該方案切換至 步驟150。本文中，該方案切換至地質(zhì)導(dǎo)向方案。
[0221] 鉆井工程師使用可用地震測(cè)量、記錄數(shù)據(jù)和地理信息來(lái)形成井計(jì)劃，以避免與現(xiàn) 有井碰撞并且實(shí)現(xiàn)最佳井眼軌跡到達(dá)儲(chǔ)層。定向鉆機(jī)使用這些井計(jì)劃進(jìn)行井布置。在自動(dòng) 化鉆井環(huán)境中，可使用井計(jì)劃進(jìn)入儲(chǔ)層，而此后可調(diào)配地質(zhì)導(dǎo)向算法對(duì)儲(chǔ)層片段進(jìn)行鉆井 來(lái)滿足井靶。
[0222] 井計(jì)劃包括測(cè)得的深度、傾斜度和方位值。還用定向測(cè)量來(lái)測(cè)量?jī)A斜度和方位值 二者。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)計(jì)劃好的測(cè)得的井路徑并且計(jì)算偏差，可實(shí)時(shí)采取校正動(dòng)作來(lái)遵循計(jì) 劃好的鉆孔軌跡?？深A(yù)先在源自偏移井的記錄數(shù)據(jù)的幫助下形成合成日志響應(yīng)以識(shí)別正靠 近儲(chǔ)層并且相應(yīng)地可創(chuàng)建條目。類似地，還可使用此合成日志響應(yīng)來(lái)確定用于設(shè)置套管靴 的關(guān)鍵地理深度并且因此可在原始井計(jì)劃中進(jìn)行校正。
[0223] 可在地表將典型的可操縱鉆井系統(tǒng)編程。該程序可包括用于實(shí)現(xiàn)所需累積和轉(zhuǎn)動(dòng) 速率的工具設(shè)置和工具面角度。程序提供了能夠使三維鉆孔軌跡復(fù)雜的靈活性和經(jīng)度。對(duì) 于不同工具，可用工具設(shè)置的數(shù)量是不同的。在任何設(shè)置下可實(shí)現(xiàn)的狗腿嚴(yán)密性取決于諸 如巖石屬性、孔的傾斜度、BHA設(shè)計(jì)、鉆孔參數(shù)等許多參數(shù)。在這些參數(shù)之中，諸如各向異性 和地層強(qiáng)度的巖石屬性具有相對(duì)高不確定性并且經(jīng)常造成相對(duì)于預(yù)測(cè)的行為和軌跡有偏 差。
[0224] 鉆井自動(dòng)化的井下系統(tǒng)使得能夠利用鉆頭性能的實(shí)時(shí)井下測(cè)量和井下鉆井參數(shù) 來(lái)重復(fù)地校正鉆頭行為模型并且使用測(cè)量來(lái)調(diào)節(jié)工具設(shè)置。
[0225] 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地下導(dǎo)航，依據(jù)井下工具的角度構(gòu)建能力將井下工具的性能建 模?？墒褂煤?jiǎn)化的算術(shù)模型來(lái)模仿通過(guò)復(fù)雜建模軟件預(yù)測(cè)的工具性能。在簡(jiǎn)化模型中，可假 設(shè)能實(shí)現(xiàn)的狗腿嚴(yán)密性⑴)與鉆頭13上的側(cè)切割力(F s)成比例。
[0226] 圖12示出具有鉆頭13的鉆柱4的井下端。鉆柱的中線170相對(duì)于垂直172成角度α， 垂直172通常是對(duì)齊重力的筆直向下的線。狗腿嚴(yán)密性(β)可被表達(dá)為：
[0227] P = kFs (18)
[0228] 其中，k是比例常數(shù)[deg/Nm]，可引起諸如位設(shè)計(jì)、巖石屬性和BHA設(shè)計(jì)的因素。
[0229] 就"推動(dòng)鉆頭"設(shè)計(jì)的情況下對(duì)鉆頭13的側(cè)向力Fs可包括由于孔傾斜導(dǎo)致的鉆柱 重量W的和由于鉆柱彎曲導(dǎo)致的鉆柱壓縮的分量。另外，側(cè)向力Fs可包括操縱裝置174施加 的力。操縱裝置可包括接合井下壁的可回縮焊盤(pán)，以提供所述力。
[0230] 可使用穩(wěn)定器的各種布置來(lái)提供BHA所需的構(gòu)建、下降或保持趨勢(shì)。這些步驟允許 BHA彎曲成期望方向，成為通過(guò)穩(wěn)定器支承于井下壁的彈性梁?？刹倏v鉆井系統(tǒng)可例如使用 液壓操作焊盤(pán)來(lái)形成側(cè)向力和/或使用流體噴射。
[0231 ]傳統(tǒng)上，從地表起通過(guò)定向鉆井控制側(cè)向力。定向鉆機(jī)在泥衆(zhòng)脈動(dòng)遙測(cè)計(jì)的幫助 下與井下系統(tǒng)通信，如圖2中所示。
[0232] 在簡(jiǎn)化布置中，可假設(shè)靠近鉆頭穩(wěn)定器的人形成小擺測(cè)效應(yīng)。這將增加下降速率 并且減小建造速率?；谶@個(gè)假設(shè)，建造速率可被簡(jiǎn)化成
[0233] P = k(FP+ff sina) (19)
[0234] 本文中，鉆孔以相對(duì)于垂直軸172的角度a入射，如圖12中所示。
[0235] 為了驗(yàn)證模型并且用比例常數(shù)k、重量W和側(cè)向力匕的真實(shí)值來(lái)調(diào)節(jié)它，使用可操 縱鉆孔數(shù)據(jù)，如在鉆出特定鉆孔的同時(shí)針對(duì)特定可操縱鉆井工具得到的。可操縱鉆井工具 可具有多個(gè)(例如，10至15個(gè))工具偏轉(zhuǎn)的設(shè)置，從而得到不同的側(cè)向力F P。
[0236] 為了模擬相同行為，可假設(shè)側(cè)向力匕隨著工具設(shè)置的增大線性增大，從而忽略其 他效應(yīng)。使用k= ldeg/kNm、W= 1.4kN和FP = 5kN的初始值，可形成計(jì)算機(jī)程序預(yù)測(cè)的BHA行 為。
[0237] 在證實(shí)井下深度測(cè)量與可操縱鉆井系統(tǒng)的控制結(jié)合時(shí)使用相同的模型來(lái)遵循給 定的鉆孔軌跡。實(shí)際上，實(shí)際性能和模型預(yù)測(cè)之間的任何偏差可引起可基于實(shí)時(shí)型評(píng)價(jià)來(lái) 更新的比例常數(shù)k。模型的這種簡(jiǎn)化使自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)更穩(wěn)健并且操作更容易。
[0238] 檢查并且保持與預(yù)定軌跡的依附。井眼計(jì)劃（即，存儲(chǔ)的預(yù)定軌跡)和實(shí)際井眼軌 跡的實(shí)時(shí)比較導(dǎo)致要調(diào)節(jié)軌跡，以盡可能符合計(jì)劃好的軌跡。
[0239] 然而，可操縱鉆井系統(tǒng)對(duì)地層的響應(yīng)和鉆井參數(shù)會(huì)偏離預(yù)測(cè)行為。在任何給定的 工具設(shè)置，建造或下降角度會(huì)不同并且導(dǎo)致與井計(jì)劃有偏差。表面上的定向鉆井改變可操 縱鉆井工具的工具設(shè)置，以使基于經(jīng)歷的偏差最小。
[0240] 實(shí)際上，由于當(dāng)前泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)系統(tǒng)中的帶寬限制和關(guān)聯(lián)時(shí)滯的限制，導(dǎo)致 實(shí)際軌跡和計(jì)劃好的軌跡之間將仍然有偏差。在自動(dòng)化系統(tǒng)中，計(jì)劃好的軌跡被存儲(chǔ)在其 中將可得井下深度、傾斜度和方位角的BHA。通過(guò)將實(shí)際軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量與計(jì)劃好的軌跡相 比較，可使偏差最小并且可提高鉆井性能。
[0241]參照?qǐng)D13中的方案，描述根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)化鉆井。
[0242] 該方案開(kāi)始于步驟180。
[0243] 在步驟182中提供鉆孔特性的測(cè)量值。在鉆孔的鉆井期間，測(cè)量?jī)x器(諸如，LWD工 具)提供例如鉆孔傾斜度、方位角和深度的測(cè)量值。這些測(cè)量值可設(shè)置在沿著鉆孔軌跡的任 何地下位置?？墒褂萌缟纤龇椒ㄖ械娜我环N來(lái)測(cè)量本文中的深度?？稍诨诒砻娴纳疃?測(cè)量的輔助下檢查和更新井下深度測(cè)量。
[0244] 還提供相同鉆孔特性的參考值。在步驟184中，基于鉆孔的模型，提供參考值。如上 所述，參考值是與鉆孔的模型，基于地表測(cè)量、基于測(cè)試的鉆孔的模型化等。
[0245] 在步驟186中，該方案檢查是否已經(jīng)達(dá)到靶深度TD。如果達(dá)到了，則在步驟188中， 該方案結(jié)束。
[0246] 如果還未達(dá)到TD，則該方案在步驟190中計(jì)算計(jì)劃好的軌跡的測(cè)量值和參考值之 間的偏差。
[0247] 在后續(xù)步驟192中，該方案計(jì)算所需的建造速率。本文中的建造速率指示傾斜度的 增大（即，角度a的變化）。建造速率可通常表達(dá)為每個(gè)距離單元的角度(例如，1°/1〇〇英尺或 l°/30m)〇
[0248] 執(zhí)行測(cè)試已將實(shí)時(shí)井下鉆井自動(dòng)化系統(tǒng)的性能與基于地表的自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)進(jìn) 行比較，以執(zhí)行計(jì)劃好的鉆孔軌跡。基于地表的系統(tǒng)取決于用于通信的泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù) 并且每添加一個(gè)鉆桿片段在設(shè)置中可能的變化次數(shù)是有限的?；诰碌南到y(tǒng)可進(jìn)行工具 設(shè)置的更頻繁變化。井下系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。
[0249]實(shí)際上，井下系統(tǒng)可例如當(dāng)已經(jīng)鉆出小于2m時(shí)頻繁進(jìn)行設(shè)置變化。井下系統(tǒng)可例 如每0.1m改變?cè)O(shè)置?；诘乇淼南到y(tǒng)可只在已經(jīng)鉆了至少2.5m之后改變。
[0250]測(cè)試表明，由于計(jì)劃好的軌跡的高扭轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)井下控制和基于地表的離散控制二 者偏離計(jì)劃好的軌跡。檢查東邊的相對(duì)于沿著深度的計(jì)劃好的軌跡的偏離（A E)、沿著北邊 的相對(duì)于計(jì)劃好的軌跡的偏離（A N)和沿著垂直的相對(duì)于計(jì)劃好的軌跡的偏離（△ TVD)。針 對(duì)井下系統(tǒng)的北邊方向上的誤差大大小于基于地表的系統(tǒng)的誤差(2.4%)。對(duì)于東邊方向， 基于地表的系統(tǒng)和井下系統(tǒng)的誤差屬于同一大小級(jí)別(0.5%至0.9% )。
[0251] 測(cè)試還用針對(duì)自動(dòng)化鉆井的控制創(chuàng)建了井下深度測(cè)量的可積分性。
[0252] 基于用于估計(jì)井下深度的測(cè)試，得出以下結(jié)論。
[0253] 1.可使用地下測(cè)量的相關(guān)性來(lái)估計(jì)井下深度；
[0254] 2.可將伽瑪射線和密度測(cè)量成果用于進(jìn)行相關(guān)；
[0255] 3.交叉相關(guān)性和混合模式匹配算法針對(duì)低噪聲級(jí)別執(zhí)行地足夠好；
[0256] 4.通過(guò)優(yōu)化模式大小，可依據(jù)準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，提高算法的性能；
[0257] 5.基于交叉相關(guān)性的方法對(duì)于傳感器的漂移是穩(wěn)健的；
[0258] 6. R0P變化是地下測(cè)量的相關(guān)性的誤差的關(guān)鍵來(lái)源?？赏ㄟ^(guò)例如使R0P變化最小 和/或使源120和檢測(cè)器124之間的間隔L最小將這個(gè)誤差降至最小；
[0259] 7.對(duì)于包括兩個(gè)伽瑪射線傳感器S1和S2的深度測(cè)量系統(tǒng)（圖4A)，增量深度的誤差 可在鉆孔的水平片段上增大，這通常表明隨著鉆孔在同一地層內(nèi)延伸，伽瑪射線輻射的變 化越來(lái)越小；
[0260] 8.誤差隨著與各數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)數(shù)量的增大而減??；
[0261] 9.可在輔助系統(tǒng)(諸如，核標(biāo)記-檢測(cè)器系統(tǒng))的幫助下減小整體誤差；
[0262] 10.核標(biāo)記的信號(hào)強(qiáng)度取決于地下組成?？赏ㄟ^(guò)預(yù)先選擇一個(gè)或多個(gè)靶原子來(lái)進(jìn) 行優(yōu)化，特定地層中的靶原子可相對(duì)豐富。然后，可針對(duì)靶原子的伽瑪衰減來(lái)優(yōu)化檢測(cè)器。
[0263] 11.與核標(biāo)記-檢測(cè)器系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的誤差獨(dú)立于R0P變化；
[0264] 12.井下深度與RSS控制的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)井下自動(dòng)化井計(jì)劃執(zhí)行；
[0265] 13.檢測(cè)器124優(yōu)選地是為了收集較高計(jì)數(shù)率而優(yōu)化的伽瑪射線傳感器。
[0266] 如上所述，本發(fā)明推薦在地層中使用人造核標(biāo)記的系統(tǒng)作為輔助深度測(cè)量系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)對(duì)地理特征和屬性的依賴性低，致使系統(tǒng)適于整個(gè)鉆孔，包括其傾斜和水平的片 段。可基于特定應(yīng)用來(lái)選擇測(cè)量分辨率。本發(fā)明使用可用工具來(lái)提供穩(wěn)健標(biāo)記系統(tǒng)并且不 需要開(kāi)發(fā)硬件?？筛鶕?jù)檢測(cè)器的精度和/或敏感性來(lái)選擇標(biāo)記系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。
[0267] 市面上可得合適的伽瑪射線檢測(cè)器。由于伽瑪射線檢測(cè)器基于其放射性而具有的 低成本、可靠性和識(shí)別不同地理層的能力而例如常被包括在LWD系統(tǒng)中。
[0268] 伽瑪射線發(fā)射是例如在不穩(wěn)定同位素的放射性衰減期間出現(xiàn)的。對(duì)放射性衰減的 宏觀觀察涉及對(duì)有限時(shí)長(zhǎng)內(nèi)成千上萬(wàn)不穩(wěn)定核素的衰減發(fā)射的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。因?yàn)榇嬖诖?量事件（即，放射性衰減發(fā)射)和給定不穩(wěn)定核發(fā)生衰減(根據(jù)半衰期）的小概率，所以可通 過(guò)泊松或高斯概率分布將放射性計(jì)數(shù)速率進(jìn)行建模。對(duì)于這些概率分布中的任一個(gè)，分布 標(biāo)準(zhǔn)偏差等于估計(jì)的均方根。如果伽瑪射線的總計(jì)數(shù)是X:
\并且相對(duì)
即，如果總計(jì)數(shù)X增加，則相對(duì)誤差減小。因此，本發(fā)明的工具 i 和數(shù)據(jù)采集方案優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成提供屬于信號(hào)中的各信號(hào)點(diǎn)的高總計(jì)數(shù)。后者將提高信號(hào) 的可重復(fù)性。
[0269] 改進(jìn)總計(jì)數(shù)X的概率中的一些包括晶體大小的增大、由于包圍檢測(cè)器的保護(hù)圈的 厚度減小而導(dǎo)致的衰減減小、和/或增大每次測(cè)量的時(shí)間窗。
[0270] 核源可包括基于氘-氘或氘-氚聚變的電動(dòng)脈動(dòng)中子源。中子源可在高達(dá)150°C和 20，000psi (大約1400巴）的環(huán)境中操作。核源是使用氖-氖和/或氖-氣反應(yīng)的相對(duì)緊湊的裝 置。這些反應(yīng)可分別產(chǎn)生大約2.5MeV和14. IMeV的能量的中子。以下，示出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。
[0273] 在公式（20)的反應(yīng)中，氦原子具有大約0.82MeV的能量，中子具有大約2.45MeV的 能量。在公式(21)的反應(yīng)中，氦原子具有大約3.5MeV的能量，氦具有大約14. IMeV的能量。其 他聚變反應(yīng)也是可能的。
[0274] 裝置的基本構(gòu)造由用于產(chǎn)生帶正電離子、離子加速器(例如高達(dá)110kV)和裝載氘、 氚或二者的混合物的金屬氫化物靶組成。
[0275] 伽瑪射線檢測(cè)器124可包括用于井記錄的基于山鎖的伽瑪射線檢測(cè)器（參見(jiàn)圖 14)。檢測(cè)器124可使用在與伽瑪射線光子相互作用時(shí)產(chǎn)生光的閃爍晶體210。晶體可設(shè)置有 保護(hù)蓋212。光電陰極214可接合晶體210,以將伽瑪射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光子。在閃爍晶體中添 加少量雜質(zhì)(被稱為活性劑），以增強(qiáng)可見(jiàn)光子的發(fā)射。通過(guò)活性劑雜質(zhì)發(fā)光的一個(gè)重要結(jié) 果是，本體閃爍晶體210對(duì)于閃爍光而言是透明的。
[0276] 在進(jìn)入晶體210時(shí)，伽瑪射線可通過(guò)三個(gè)不同過(guò)程來(lái)產(chǎn)生快速電子：1)光電效應(yīng)； 2)康普頓效應(yīng);和3)電子偶的產(chǎn)生(光子能量>1.02MeV)。這些快速電子噪聲閃爍并且產(chǎn)生 可見(jiàn)光光子216?？梢?jiàn)光光子隨后經(jīng)過(guò)光電倍增管218,光電倍增管218按比例增大信號(hào)，使 得最終以電脈沖（即，一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極220和一個(gè)或多個(gè)倍增器電極222之間的電勢(shì)）的形式 檢測(cè)到。脈沖高度將入射伽瑪射線能量定量。
[0277] 電脈沖的計(jì)數(shù)將與晶體210反應(yīng)的伽瑪射線光子的量定量。由于相比于電子的結(jié) 合能量，伽瑪射線能量通常非常高，因此當(dāng)伽瑪射線由于光電效應(yīng)而損失其能量時(shí)，幾乎所 有與其關(guān)聯(lián)的能量被傳遞到電子并且這些電子在光譜中形成光峰。另一方面，與康普頓散 射相關(guān)的光譜幾乎是平坦的平臺(tái)，因?yàn)榭灯疹D散射電子的能量分布是恒定的，其能量范圍 是從〇至被稱為康普頓邊界的最大能量損失。
[0278] 可使用各種有機(jī)和無(wú)機(jī)晶體和液體作為閃爍劑，諸如，BG0(鍺酸鉍）、LaCl3(Ce) (摻雜鈰的氯化鑭）、聚萘二甲酸乙二酯等。摻雜鉈的碘化鈉晶體[Nal(Ti)]由于其較高的光 產(chǎn)量是檢測(cè)器的晶體的好選擇。
[0279] 為了提高檢測(cè)效率，晶體210可具有環(huán)形設(shè)計(jì)（圖10A)。外徑r?？梢允谴蠹s8cm，內(nèi) 徑^可以是大約6.5cm，并且高度Η可以是大約5cm或更大。為了增大準(zhǔn)確性和/或檢測(cè)器靈 敏度，根據(jù)工具柱4或BHA 12中的可用空間，檢測(cè)器晶體的外徑和/或高度可增大。
[0280] 檢測(cè)器計(jì)數(shù)效率η可被定義為檢測(cè)器nd中計(jì)數(shù)的光子的數(shù)量與源ns發(fā)射的光子的 數(shù)量之比?？筛鶕?jù)以下因素中的一個(gè)或多個(gè)，優(yōu)化檢測(cè)器計(jì)數(shù)效率：
[0281] i)晶體幾何形狀；
[0282] ii)用覆蓋件212屏蔽晶體；
[0283] iii)晶體的光學(xué)效率，其將產(chǎn)生的總光子之中的可進(jìn)行管理以通過(guò)晶體傳輸?shù)墓?子定量；
[0284] iv)光陰極的量子效率。這是所發(fā)射的光電子的數(shù)量與入射的伽瑪射線光子的數(shù) 量之比；
[0285] v)倍增器電極的倍增因子。這是所發(fā)射的輔助電子與主要入射電子216的數(shù)量比。 輔助電子的發(fā)射是統(tǒng)計(jì)學(xué)過(guò)程，所以倍增因子不是常數(shù)，而是對(duì)于不同事件，圍繞平均值進(jìn) 行變化；
[0286] vi)陽(yáng)極收集的效率。這是在陽(yáng)極接收到的電子216的數(shù)量與最近倍增器電極222 處產(chǎn)生的總電子的數(shù)量比。
[0287] 在存在于地層中的眾多元件之中，在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的標(biāo)記系統(tǒng)可特別地 基于一些元素的豐度和/或半衰期來(lái)瞄準(zhǔn)一些元素。本文中，提供三個(gè)同位素的核屬性，可 根據(jù)本發(fā)明的核標(biāo)記系統(tǒng)來(lái)瞄準(zhǔn)這三個(gè)同位素。
[0288] 氯-37。氯經(jīng)常被包括在被限定在地層微孔內(nèi)的地層水中。氯被溶解在水中，成為 氯離子。它具有33靶熱俘獲剖面并且可在衰減時(shí)產(chǎn)生1.5MeV至8.6MeV之間的密集伽瑪射 線。C1-37是在天然氯中的具有24.2%的豐度的氯的天然同位素?？赏ㄟ^(guò)中子俘獲將C1-37 轉(zhuǎn)換成C1-38或Cl-39(氯的同位素）。對(duì)于C1-37,中子俘獲剖面面積可以是大約0.433靶。
[0289] 與C1-38的衰減相關(guān)的伽瑪射線的特征能量是1.6MeV和2. lMeVXl-38的半衰期是 大約37.24分鐘。用于檢測(cè)因衰減產(chǎn)生的伽瑪射線的時(shí)間窗口優(yōu)選地被設(shè)置在0分鐘至大約 37.2分鐘(50 %耗盡的時(shí)間）內(nèi)。以下，總結(jié)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。
[0292]鈉連同氯經(jīng)常還存在于被限定在地層微孔內(nèi)的含鹽地層水中。鈉-23具有大約 0.530靶的核俘獲片段。在進(jìn)行中子俘獲時(shí)，Na-23通常轉(zhuǎn)換成Na-24，Na-24具有大約14.96 小時(shí)的半衰期。與Na-24的β衰減相關(guān)的特性伽瑪射線具有大約1.369和2.754MeV的能量。對(duì) 應(yīng)反應(yīng)是
[0295] 硅是泥土中最豐富的元素之一。天然硅包含Si-28(大約92.23%)、Si-29(大約 4.67% )和Si-30(大約3.1% )。本文中，Si-30可以是中子激活所關(guān)注的。Si-30具有大約 0.11靶的種子俘獲剖面并且可被轉(zhuǎn)換成Si-31，Si-31具有大約157.3分鐘的半衰期。源自衰 減的特征伽瑪射線的能量是大約1.266MeV。

[0298]放射性同位素通常遵循指數(shù)衰減。通過(guò)衰減常數(shù)來(lái)管理核的衰減時(shí)間。在從激活 后的任何時(shí)間t，通過(guò)以下給出時(shí)間t的剩余激活核N相對(duì)于時(shí)間to的原始激活核No:
[0302] 其中，λ是衰減反應(yīng)的激活常數(shù)(^1)，并且T1/2是放射性核素的半衰期。
[0303] 在優(yōu)選實(shí)施例中，用于檢測(cè)的時(shí)間窗口限于大約靶向核素的半衰期。通過(guò)距離L結(jié) 合機(jī)械鉆速來(lái)確定時(shí)間窗口。后者取決于各種方面，但通?？陕淙氪蠹s5米/小時(shí)至10米/小 時(shí)的范圍（大約15英尺/小時(shí)至35英尺/小時(shí)的范圍）內(nèi)?？紤]以上提供的靶物質(zhì)的半衰期時(shí) 間，可在(幾乎)〇和最大值Lmax之間的范圍內(nèi)選擇源120和檢測(cè)器124之間的距離L:
[0305] 在以上的表中，提供Lmax的示例性值。本文中，基于預(yù)期的R0P來(lái)計(jì)算Lmax:Lmax = (被激活靶物質(zhì)的半衰期）X (預(yù)期平均R0P)?？稍谕瑫r(shí)考慮到所需準(zhǔn)確度的情況下，在〇(非 常接近源)和Lmax之間選擇L的值。
[0306]在實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)可包括多個(gè)檢測(cè)器D1、D2等，各檢測(cè)器相對(duì)于源位于對(duì) 應(yīng)的軸向距離L1、L2等。優(yōu)選地，L1、L2等中的每個(gè)等于或小于Lmax，如以上表中提供的?？?分別基于所述L1、L2等的倍數(shù)來(lái)計(jì)算增量深度?？杀容^使用各個(gè)檢測(cè)器的信號(hào)計(jì)算出的深 度值并且求平均，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。
[0307]本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，其中，在隨附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)能料想到各種修改 形式?？衫缃M合各個(gè)實(shí)施例的特征。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測(cè)量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： -中子源，用于發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)； -核輻射檢測(cè)器，位于與所述中子源相距軸向距離L處，用于檢測(cè)由被激活的所述靶物 質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及 -井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元，被構(gòu)造成基于核輻射的檢測(cè)和所述軸向距離L來(lái)計(jì)算鉆孔中 的鉆井組件的增量深度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元布置在鉆井組件的底 部鉆具組合BHA中并且被構(gòu)造成向自動(dòng)化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)提供關(guān)于BHA的方位角和/或傾 斜度、增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速ROP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述自動(dòng)化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)布置在所述BHA中 并且所述井下鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元被構(gòu)造成借助所述BHA中的信號(hào)傳輸組件將所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 傳輸?shù)剿鲎詣?dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不需要將所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘乇淼臄?shù)據(jù)處理設(shè) 備。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述自動(dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)包括用于基于存儲(chǔ)在所 述系統(tǒng)中的關(guān)于以下的數(shù)據(jù)將所述BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置： -所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及 -基于所述鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)所述BHA的方位 角和傾斜度、增量深度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行的所述鉆孔軌跡的估計(jì)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測(cè)器是圓柱形的。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測(cè)器具有至少5cm的高度和/或被構(gòu)造成檢 測(cè)靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射，所述靶物質(zhì)包括氯-37、鈉-23和/或硅-30。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被布置成與所述中子源相距預(yù)定軸向距離LdPL2 的至少兩個(gè)檢測(cè)器。8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)或任何組合所述的系統(tǒng)，其中，各軸向距離。。和"等 于或小于最大值Lmax。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，各軸向距離L、LjPL2是至少20cm并且大于所述靶 物質(zhì)的被激活核沿著所述鉆孔的軸的擴(kuò)散和/或L max在3米和6米之間。10. -種在地下鉆孔中進(jìn)行井下測(cè)量的方法，所述方法包括以下步驟： -通過(guò)中子源發(fā)送中子脈沖，以激活包圍所述鉆孔的地下地層中的靶物質(zhì)；以及 -致使位于與所述中子源相距軸向距離L處的核輻射檢測(cè)器檢測(cè)由被激活的所述靶物 質(zhì)發(fā)射的核輻射;以及 -致使井下鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)單元基于所述核輻射的檢測(cè)和所述軸向距離L來(lái)計(jì)算所述鉆 孔中的鉆井組件的增量深度。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述核輻射包括伽瑪射線和/或所述檢測(cè)器檢 測(cè)靶物質(zhì)發(fā)射的核輻射，所述靶物質(zhì)包括氯-37、鈉-23和/或硅-30。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述井下鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)單元布置在鉆井組件的 底部鉆具組合BHA中并且將關(guān)于所述BHA的方位角和/或傾斜度、增量深度、關(guān)聯(lián)的機(jī)械鉆速 ROP的實(shí)時(shí)信息提供到自動(dòng)化井下鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述自動(dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)布置在所述BHA中并 且借助所述BHA中的信號(hào)傳輸組件將所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲎詣?dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)，而不 需要將所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘乇淼臄?shù)據(jù)處理設(shè)備。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述自動(dòng)化鉆頭導(dǎo)航系統(tǒng)包括基于所述系統(tǒng)中 存儲(chǔ)的關(guān)于以下的數(shù)據(jù)將所述BHA向著地下鉆井靶導(dǎo)航的裝置： -所述鉆孔的井口和所述地下鉆井靶的三維地理坐標(biāo)；以及 -基于所述鉆井過(guò)程監(jiān)測(cè)單元收集的關(guān)于所述鉆孔軌跡的整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)所述BHA的方位 角和傾斜度、增量深度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行的所述鉆孔軌跡的估計(jì)。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，當(dāng)所述BHA已經(jīng)達(dá)到所述地下靶時(shí)，所述自動(dòng)化 鉆井過(guò)程終止，由此，從所述鉆孔取出所述鉆井組件，所述鉆孔完成并且被構(gòu)造為烴流體生 產(chǎn)井并且由所述井產(chǎn)生烴流體。
【文檔編號(hào)】G01V5/10GK105874354SQ201480071991
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年12月19日
【發(fā)明人】P·杰因
【申請(qǐng)人】國(guó)際殼牌研究有限公司