Способ определения плотности и фотоэлектрического поглощения пласта с использованием прибора плотностного каротажа литологического разреза на основе импульсного ускорителя

Способ определения плотности и фотоэлектрического поглощения пласта с использованием прибора плотностного каротажа литологического разреза на основе импульсного ускорителя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу, предназначенному для прибора импульсного плотностного гамма-гамма каротажа, обеспечивающему одновременную компенсацию взаимодействий, обусловленных фотоэлектрическим эффектом и вариациями плотности, вызванными отклонением прибора, благодаря которой обеспечивается возможность более точного определения объемной плотности пласта. Кроме того, раскрыт компенсированный прибор с использованием бетатрона в качестве источника тормозного излучения.

Предшествующий уровень техники

В нефтегазовой отрасли характеристики коллектора используют для прогнозирования местоположения нефтесодержащих и газосодержащих пластов, оценки продуктивности этих пластов и определения количества углеводородов в коллекторе.

Основным параметром, характеризующим коллектор, является объемная плотность пласта. Существует много способов определения объемной плотности пласта. Один широко распространенный способ представляет собой гамма-гамма (γ-γ) каротаж плотности. Гамма-излучение представляет собой пакеты электромагнитного излучения, также называемые фотонами. Зонд плотностного гамма-гамма каротажа плотности имеет радиоактивный источник, такой как Cs¹³⁷, испускающий гамма-излучение, которое представляет собой фотоны с энергией 662 кэВ, и два или большее количество детекторов, расположенных на различных расстояниях от радиоактивного источника, которые подсчитывают число фотонов, попадающих на этот детектор, в зависимости от времени или энергии. Обычно имеются ближний к источнику детектор, расположенный вблизи источника излучения, и дальний от источника детектор, расположенный на большем расстоянии от источника излучения. Ближний к источнику детектор обычно имеет меньшую глубину исследования, чем дальний от источника детектор, и является более чувствительным к скважинному флюиду или глинистой корке между зондом и пластом. Пространство между зондом и пластом называют отклонением прибора, и оно обычно заполнено скважинным флюидом, буровым раствором или глинистой коркой. Дальний от источника детектор имеет большую глубину исследования и является менее чувствительным к скважинным условиям и более чувствительным к пласту.

Радиоактивный источник и детекторы обычно коллимируют и экранируют для повышения уровня полезных сигналов от пласта и для подавления сигналов от ствола скважины и корпуса прибора. От геометрии зонда требуется, чтобы подсчитываемый фотон (фотон, попадающий на детектор) до достижения детектора взаимодействовал с по меньшей мере одним рассеивающим электроном.

В пределах диапазона энергий фотонов, представляющих интерес (от ниже чем 100 кэВ до нескольких мегаэлектронвольт), преобладают взаимодействия гамма-излучения с подземными пластами двух видов. Ими являются фотоэлектрическое поглощение и рассеяние Комптона. Вероятность определенного вида взаимодействия зависит от атомного числа материала пласта и энергии гамма-излучения. Для большей части подземных пластов фотоэлектрический эффект является преобладающим при энергиях гамма-излучения ниже около 100 кэВ. Фотоэлектрический эффект возникает в результате взаимодействия гамма-излучения с атомом материала пласта. Падающее гамма-излучение исчезает и при этом передает свою энергию связанному электрону. Электрон выбрасывается из атома и заменяется другим электроном, с менее сильной связью, с сопутствующим испусканием характеристического флуоресцентного рентгеновского излучения, энергия которого зависит от атомного числа материала пласта.

Поперечное сечение σ_Pe фотоэлектрического поглощения сильно изменяется с изменением энергии, спадая при уменьшении энергии пропорционально примерно кубу энергии (Е_γ) гамма-излучения. Кроме того, σ_Pe сильно зависит от атомного числа (Z) поглощающей среды. В случае гамма-излучения с энергиями от 40 до 80 кэВ поперечное сечение на атом с атомным числом Z дается формулой:

σ_Pe≈Z^4,6/E_γ ^3,15.(уравнение 1)

Поскольку фотоэлектрическое поглощение очень чувствительно к среднему атомному числу среды пласта, его можно использовать для непосредственного определения литологии или типа породы. Это является следствием того, что основные скелеты породы (такой как песчаник, известняк и доломит) имеют различные атомные числа и значительно различающиеся характеристики фотоэлектрического поглощения. Жидкости, заполняющие поры в среде пласта, оказывают только небольшое влияние на фотоэлектрическое поглощение вследствие небольшого среднего атомного числа жидкостей.

Наличие на всем протяжении пути перемещения фотонов элементов с большим Z, встречающихся, например, в баритовом буровом растворе, оказывает значительное влияние на интенсивность обнаруживаемого сигнала, и на фотонах низких энергий это сказывается больше, чем на фотонах высоких энергий. Даже фотоны с наивысшей энергией, то есть >500 кэВ, не полностью свободны от влияния фотоэлектрического эффекта. Влияние фотоэлектрического поглощения пласта на измерение характеризуется коэффициентом фотоэлектрического поглощения. Для получения точного измерения плотности необходимо знать коэффициент фотоэлектрического поглощения пласта. Хотя эффект фотоэлектрического поглощения усложняет измерения плотности, он обеспечивает ценную информацию о литологии пласта.

Измерение коэффициента фотоэлектрического поглощения пласта при наличии химического радиоактивного источника не представляет трудности. Источник излучает непрерывно, средняя скорость счета детектора не является очень высокой, и детектор плотности обычно работает в режиме подсчета фотонов. В этом режиме детектор регистрирует не только суммарные количественные показатели фотонов, но также и энергии отдельных подсчитываемых фотонов. Путем сравнения количественных показателей фотонов в различных энергетических окнах можно точно извлекать коэффициент фотоэлектрического поглощения и плотность.

При высоких энергиях гамма-излучения преобладающим взаимодействием является рассеяние Комптона, которое включает в себя взаимодействия гамма-излучения и индивидуальных электронов. Часть энергии гамма-излучения передается электрону, а оставшееся гамма-изучение имеет пониженную энергию. Гамма-излучение с падающей энергией Е⁰ взаимодействует с электроном материала пласта, рассеивается под углом θ и уходит с энергией Е'. Ослабление гамма-излучения, обусловленное рассеянием Комптона, является функцией объемной плотности (ρ_b) и отношения (Z/A) атомного числа к атомной массе. Для большей части материалов пласта, представляющих интерес, Z/A составляет около 0,5, так что объемную плотность можно вычислить из:

∑_Co=σ_Co(N_Av/A)(ρ_b)(Z),(уравнение 2)

где ∑_Со является макроскопическим поперечным сечением, σ_Со поперечным сечением Комптона и N_Av представляет собой среднее число подсчитываемых фотонов на детекторе.

Обычные приборы плотностного гамма-гамма каротажа имеют существенный недостаток. Для них требуется химический радиоактивный источник, который трудно размещать, и он является опасным при неправильной эксплуатации. Это побуждает заменять химические радиоактивные источники электронными источниками. Электронный источник создает фотоны путем ускорения электронного пучка до надлежащей энергии и соударения пучка с мишенью. Имеются электронные источники двух типов - электростатические ускорители постоянного тока и импульсные ускорители. В импульсных устройствах могут использоваться разнообразные средства для достижения высокой энергии пучка, например, в бетатроне изменение магнитного поля используется для ускорения электронов, которые затем соударяются с мишенью для образования тормозных фотонов с непрерывным энергетическим спектром от 0 до энергии электронного пучка. Обычно импульсные устройства имеют низкий рабочий цикл и фотоны создаются в виде коротких вспышек длительностью несколько микросекунд или меньше. Для получения удовлетворяющей требованиям статистики источник должен вырабатывать в среднем большое количество подсчитываемых фотонов в каждой вспышке. Поскольку эти фотоны достигают детектора почти в один и тот же момент времени, они являются неотличимыми друг от друга. В случае таких устройств детектор работает в режиме выделения энергии, при этом детекторы регистрируют только полную энергию, выделяющуюся за одну вспышку. Поскольку информация об энергетическом распределении фотонов является недоступной, требуются другие способы для разделения информации о коэффициенте фотоэлектрического поглощения и плотности, заключенной в сигналах.

Для извлечения информации о коэффициенте фотоэлектрического поглощения и плотности необходимо отделить фотоны низких энергий от фотонов высоких энергий. Один простой подход заключается в использовании низкоэнергетического фильтра для отсечки фотонов ниже пороговой энергии. Например, в патенте US №3321625 (Wahl) раскрыто, что эффект фотоэлектрического поглощения является преобладающим, когда энергия фотонов ниже чем 50 кэВ, и что при размещении серебряного или кадмиевого диска перед детекторами будут поглощаться фотоны с энергиями ниже чем 50 кэВ, в результате чего минимизируется эффект фотоэлектрического поглощения. Однако энергия 50 кэВ является статистической средней, и обнаруживаемые сигналы все еще находятся под воздействием коэффициента фотоэлектрического поглощения, хотя и в меньшей степени. Использование фильтров для полного удаления фотонов с энергией ниже определенного порога приводит к расплате, а именно многие фотоны высоких энергий, которые несут информацию о плотности, также теряются. Следовательно, использование фильтров для ослабления эффекта фотоэлектрического поглощения не согласуется с требуемой точностью современных методов каротажа.

Другой подход заключается в использовании многослойного детектора. В одном осуществлении детектор состоит из двух различных сцинтилляторов, «полупрозрачного» сцинтиллятора низкой плотности, обращенного к пласту, и «поглощающего» детектора высокой плотности на обратной стороне. Теоретически сцинтиллятор низкой плотности поглощает в основном фотоны низких энергий и позволяет потоку с наиболее высокой энергией проходить к заднему детектору. На практике значительное количество высокоэнергетического потока также поглощается сцинтиллятором низкой плотности, превращая способ в менее чувствительный по сравнению с желаемым.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для компенсации коэффициента фотоэлектрического поглощения в импульсном электронном ускорителе, таком как бетатрон, чтобы максимизировать информацию, которую можно извлекать из подсчитываемых фотонов, и поддерживать высокую чувствительность без потери точности.

Согласно изобретению предложен способ для прибора импульсного плотностного гамма-гамма каротажа с одновременной компенсацией взаимодействий, обусловленных фотоэлектрическим эффектом, и вариаций плотности, вызванных отклонением прибора, благодаря чему обеспечивается возможность более точного определения объемной плотности пласта. Кроме того, предложен компенсированный прибор с использованием бетатрона в качестве источника тормозного излучения. Этот способ включает в себя этапы, на которых создают источник частиц высоких энергий и направляют эти частицы высоких энергий в пласт, имеющий известные коэффициент фотоэлектрического поглощения и плотность электронов, и захватывают один или несколько фотонов, испущенных из или отклоненных от пласта, на первом детекторе или втором детекторе. Первый детектор располагают на первом расстоянии от источника, второй детектор располагают на втором расстоянии от детектора, и третье расстояние отделяет первый детектор от второго детектора. Измеряют первую полную энергию фотонов, зарегистрированных первым детектором в течение временного интервала, и измеряют вторую полную энергию фотонов, зарегистрированных вторым детектором в течение указанного временного интервала, и размещают первый фильтр между первым детектором и пластом, эффективный для создания отклика на фотоэлектрическое поглощение, чтобы осуществить согласование с влиянием отклонения прибора, тем самым оба эффекта компенсируют одновременно. В дополнение к первому фильтру для обеспечения требуемой компенсации можно ввести второй фильтр между вторым детектором и пластом, а также поправки в соответствующие первое расстояние, второе расстояние и третье расстояние.

Изобретение в соответствии с аспектом изобретения включает в себя прибор с компенсированной плотностью гамма-гамма каротажа, имеющий корпус прибора, который ограничивает внутренний объем. В этом внутреннем объеме находятся источник частиц высоких энергий, имеющий рабочий цикл, первый детектор фотонов и второй детектор фотонов. Первый детектор фотонов расположен на первом расстоянии от источника и второй детектор расположен на втором расстоянии от указанного источника и также расположен на третьем расстоянии от первого детектора, при этом первое расстояние меньше, чем второе расстояние. Первый фильтр размещен между первым детектором и оцениваемым пластом. Влияние на чувствительность к фотоэлектрическому поглощению примерно равно влиянию отклонения прибора на плотность вследствие сочетания, которое включает в себя толщину первого фильтра, состав первого фильтра, первое расстояние, второе расстояние и/или третье расстояние.

Кроме того, предложены способы идентификации импульсов полной энергии, наиболее вероятно содержащих энергию одиночного фотона. Уровень энергии такого импульса дает полезную информацию о составе пласта.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие признаки и преимущества изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи.

Настоящее изобретение дополнительно рассматривается в подробном описании, которое следует ниже, с помощью не создающих ограничения примеров предпочтительных осуществлений настоящего изобретения.

Фиг.1 - графическая иллюстрация амплитуды импульсов фотонов на детекторе в зависимости от времени, когда источник, известный из предшествующего уровня техники, непрерывно испускает фотоны;

фиг.2 - обнаруженные подсчеты, связанные с данными из фиг.1, в зависимости от энергии фотонов, известные из предшествующего уровня техники;

фиг.3 - графическая иллюстрация сигналов детектора в зависимости от времени в случае, когда источник излучает короткие вспышки фотонов с регулярными интервалами; интенсивность сигнала в соответствии с осуществлением изобретения пропорциональна полной энергии всех подсчитываемых фотонов в одной вспышке;

фиг.4 - представление на блок-схеме последовательности этапов проектирования прибора, имеющего компенсацию фотоэлектрического поглощения, в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.5 - графическая иллюстрация способа определения чувствительности к плотности и чувствительности к фотоэлектрическому поглощению в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.6 - иллюстрация графика хребта и ребер, используемого для определения влияния отклонения прибора на кажущуюся плотность в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.7 - вид каротажного прибора, изготовленного с получением компенсации чувствительности к фотоэлектрическому поглощению в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.8 - графическая иллюстрация анализа глубины проникновения воды в газовую зону для определения чувствительности к глубине плотностных измерений (глубины исследования или ГИ) в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.9 - вид варианта каротажного прибора для случая многочисленных глубин исследования в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.10 - графическая иллюстрация некоторого количества однофотонных, двухфотонных и трехфотонных оценок в зависимости от энергии фотонов в пористом известняковом пласте в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.11 - графическая иллюстрация некоторого количества однофотонных, двухфотонных и трехфотонных оценок в зависимости от энергии фотонов в пористом песчаниковом пласте в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.12 - графическая иллюстрация некоторого количества фотонов на импульс в процентах в соответствии с осуществлением изобретения;

фиг.13 - графическая иллюстрация отклика дальнего от источника детектора;

фиг.14 - графики для сравнения оцененного значения Ре и истинного значения Ре для каротажных приборов, имеющих импульсный и химический источники;

фиг.15 - графики для сравнения спектральных данных в случаях двух длительностей импульсов бетатрона в соответствии с осуществлением изобретения; и

фиг.16 - графическая иллюстрация многофотонных спектров, полученных по алгоритму, описанному в настоящей заявке.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Подробности, показанные в настоящей заявке, даны только для примера и для наглядного рассмотрения осуществлений настоящего изобретения и представлены на том основании, что, как полагает заявитель, ими предоставляется наиболее полезное и совершенно понятное описание принципов и концептуальных аспектов настоящего изобретения. В связи с этим не делается попытка показать конструктивные детали настоящего изобретения более подробно, чем это необходимо для глубокого понимания настоящего изобретения, при этом описание, использованное совместно с чертежами, делает понятным для специалистов в данной области техники, каким образом некоторые осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы на практике. Кроме того, одинаковыми позициями и обозначениями на различных чертежах указаны аналогичные элементы.

Изобретение в соответствии с осуществлением изобретения включает в себя способ для прибора импульсного плотностного гамма-гамма каротажа с одновременной компенсацией взаимодействий, обусловленных фотоэлектрическим эффектом, и вариаций плотности, вызванных отклонением прибора, благодаря которой обеспечивается возможность более точного определения объемной плотности пласта. Кроме того, раскрыт компенсированный прибор с использованием бетатрона в качестве источника тормозного излучения. Этот способ включает в себя этапы, на которых создают источник частиц высоких энергий и направляют эти частицы высоких энергий в пласт, имеющий известные коэффициент фотоэлектрического поглощения и плотность электронов, и захватывают один или несколько фотонов, испущенных из или отклоненных от пласта, на первом детекторе или втором детекторе. Первый детектор располагают на первом расстоянии от источника, второй детектор располагают на втором расстоянии от источника, и третье расстояние отделяет первый детектор от второго детектора. Измеряют первую полную энергию фотонов, зарегистрированных первым детектором в течение временного интервала, и измеряют вторую полную энергию фотонов, зарегистрированных вторым детектором в течение указанного временного интервала, и размещают первый фильтр между первым детектором и пластом, эффективный для создания отклика на фотоэлектрическое поглощение, чтобы осуществить согласование с влиянием отклонения прибора, тем самым оба эффекта компенсируют одновременно. В дополнение к первому фильтру для обеспечения требуемой компенсации можно ввести второй фильтр между вторым детектором и пластом, а также поправки в соответствующие первое расстояние, второе расстояние и третье расстояние.

На фиг.1 графически представлена амплитуда (в МэВ) импульсов фотонов, обнаруженных детектором зонда, в зависимости от времени, при этом источник фотонов представлял собой непрерывный излучатель, такой как химический источник излучения, известный из предшествующего уровня техники. Импульсы имеют изменяющиеся амплитуды и воздействуют на детектор непрерывным и случайным образом. Как показано на фиг.2, амплитуда импульсов пропорциональна энергии фотона, и можно нанести на график число отсчетов при каждом уровне энергии. Опорная линия 10 представляет приблизительно 80 кэВ. Диапазон 12 низких энергий содержит данные от фотонов, преимущественно находившихся под воздействием фотоэлектрического эффекта, тогда как область 14 высоких энергий содержит данные от фотонов, преимущественно находившихся под воздействием рассеяния Комптона. Данные из области 12 низких энергий и области 14 высоких энергий обрабатывают для извлечения информации о плотности и составе.

Данные, полученные от импульсного источника фотонов, такого как бетатрон, показаны на фиг.3. Источник фотонов имеет спектр, продолжающийся до энергии конечной точки электронного пучка, например 1,5 МэВ, по сравнению с источником с одной линией спектра, например 662 кэВ в случае источника Cs¹³⁷. Кроме того, рабочий цикл, который представляет собой процентную долю времени, в течение которого фотоны испускаются, намного короче. Рабочий цикл устройства пропорционален продолжительности вспышки излучения и частоте повторения вспышек. В то время как химический источник представляет собой непрерывный излучатель, рабочий цикл равен 100%, импульсный источник имеет низкий рабочий цикл, например 0,2%, и продолжительность испускания фотонов в каждом цикле является очень небольшой, например 1 мкс, а номинально от 0,5 мкс до 3 мкс. В зависимости от интенсивности испускания фотонов детекторы могут регистрировать или могут не регистрировать сигнал, и каждый подсчитанный сигнал 16 может содержать один или несколько фотонов. Поэтому нелегко определять уровни энергии отдельных подсчитанных фотонов. Измеряют только полную энергию, выделенную на импульс. Для исключения чувствительности к фотоэлектрическому поглощению необходимо использовать альтернативный способ.

Эффективное исключение чувствительности к фотоэлектрическому поглощению зависит от измерительного прибора. Факторы, которые влияют на чувствительность к фотоэлектрическому поглощению, включают в себя состав фильтра, толщину фильтра, расстояние между источником гамма-излучения и ближним к источнику детектором, расстояние между источником гамма-излучения и дальним от источника детектором и расстояние между ближним к источнику детектором и дальним от источника детектором. Поэтому, изменяя эти параметры, можно варьировать отклик детектора на фотоэлектрическое поглощение. В настоящем изобретении предложен алгоритм для компенсации влияния чувствительности дальнего от источника детектора к фотоэлектрическому поглощению на измерение плотности с помощью тщательно подстроенного отклика ближнего к источнику детектора. Для алгоритма не требуются априорные сведения о фотоэлектрическом поглощении, не требуется жертвовать точностью определения плотности в результате существенной фильтрации фотонов низких энергий. На фиг.4 показана блок-схема последовательности этапов проектирования измерительного прибора, который является компенсированным относительно фотоэлектрического поглощения. Как описано ниже, последовательность этапов включает в себя определение 22 чувствительности каждого детектора к фотоэлектрическому поглощению (ФП), определение 24 влияния отклонения прибора на измерения плотности и оптимизацию 26 конструкции прибора, при этом полагают влияния чувствительности к фотоэлектрическому поглощению и отклонения прибора примерно равными.

В общем случае в скважинных условиях отклонение прибора влияет на измерения плотности в большей степени, чем это делает фотоэлектрическое поглощение. Алгоритм, описанный в настоящей заявке, подстраивает отклик детектора так, что коррекции за фотоэлектрическое поглощение и отклонение прибора осуществляются одновременно. Начальным этапом является определение 22 чувствительности b/a к фотоэлектрическому поглощению дальнего от источника детектора. Прибор эксплуатируют в нескольких контролируемых пластовых средах, имеющих различные значения фотоэлектрического поглощения. Затем чувствительность прибора к фотоэлектрическому поглощению для случая нулевого отклонения извлекают из измеренного выделения энергии на дальнем от источника детекторе, используя уравнение:

log(N_LS)=(a_LS+b_LS×Pe)×ρ_e+c_LS,(уравнение 3)

где:

N_LS представляет собой сигнал выделения кажущейся энергии на дальнем от источника детекторе;

a_LS является чувствительностью к плотности, то есть процентным изменением сигнала детектора на единичное изменение плотности;

b_LS/a_LS является чувствительностью к фотоэлектрическому поглощению, выраженной в процентах ошибкой кажущейся плотности на единичное изменение фотоэлектрического поглощения для заданного значения N_LS;

Pe представляет собой показатель фотоэлектрического поглощения для пластовой среды;

ρ_е является плотностью электронов для пластовой среды; и

c_LS является нормировочным множителем, который зависит от интенсивности источника.

При этом различают дополнительное уравнение (3а), применимое для ближнего к источнику детектора:

Плотность электронов и Ре можно получить на основании существующих данных, например, из таблицы 1.

Таблица 1
Материал пласта	Плотность (г/см3)	Плотность электронов (г/см3)	Ре
Вода	1	1,1101	0,36
Делрин	1,41	1,5026	0,28
Магний	1,78	1,7529	2,5
Песчаник (пористость 30 об.%)	2,1578	2,1881	1,59
Известняк (пористость 30 об.%)	2,197	2,2283	4,38
Песчаник	2,654	2,65	1,81
Известняк	2,71	2,7075	5,08
Доломит	2,87	2,8634	3,14
Ангидрит	2, 96	2,9568	5,05
Диабаз	3,0536	3,0263	4,4

Затем, построив логарифмический график (выделения энергии на частицу источника) в зависимости от плотности электронов для некоторого количества значений Ре, определяют a_LS, b_LS и c_LS, аппроксимируя существующие данные методом наименьших квадратов. Как заметно на фиг.5, в случае бетатронного измерительного прибора чувствительность к фотоэлектрическому поглощению является очень низкой, обычно порядка 1% или ниже при изменениях Ре от 1 до 5.

Обычно априорные сведения о Ре пласта отсутствуют. При игнорировании члена Ре аппроксимированное уравнение плотности становится:

log(N_LS)=(a'_LS)(ρ_e)+c'_LS.(уравнение 4)

Кажущуюся плотность на дальнем от источника детекторе можно получить из уравнения (4):

ρ_{LS_каж}=(log(N_LS)-c'_LS)/a'_LS,(уравнение 5)

и найти кажущуюся плотность на ближнем к источнику детекторе из дополнительного уравнения:

ρ_{SS_каж}=(log(N_SS)-c'_SS)/a'_SS.(уравнение 5а)

«Кажущаяся плотность» является плотностью, определяемой детектором, и обычно имеется некоторое количество средних плотностей, через которые фотоны проходят, и длин хода в каждой плотности. Например, при наличии отклонения прибора глинистая корка и пластовая порода могут иметь различные плотности, так что кажущаяся плотность является комбинацией двух. Так что точная или компенсированная плотность пласта связана с кажущейся плотностью в соответствии с:

ρ_комп=ρ_{LS_каж}+Δρ.(уравнение 6)

Поскольку ближний к источнику и дальний от источника детекторы имеют различные чувствительности к отклонению прибора, то при надлежащем определении откликов обоих детекторов можно извлечь Δρ из разности измеренных кажущихся плотностей, ρ_{LS_каж}-ρ_{SS_каж}, и уравнение (6) становится:

ρ_комп=ρ_{LS_каж}+наклон×(ρ_{LS_каж}-ρ_{SS_каж}),(уравнение 7)

где наклон представляет собой наклон универсальной корректировочной кривой или универсального ребра. Один распространенный способ, используемый для коррекции отклонения прибора, часто называют анализом методом хребта и ребер, например, раскрытый в патенте US №3321265.

Что касается фиг.6, то хребет 24 является геометрическим местом точек детекторных сигналов дальнего от источника детектора и ближнего к источнику детектора в отсутствие отклонения прибора. Ребра 26 трассируют сигналы детекторов при фиксированной плотности пласта в условиях наличия различных расстояний отклонения прибора и буровых растворов различных видов. Как очевидно из фиг.6, величина поправки Δρ, необходимой для приведения точки на ребре обратно на хребет, является функцией (ρ_{LS_каж}-ρ_{SS_каж}), не зависящей от истинной плотности пласта. Поэтому влияние отклонения прибора на измерение плотности можно описать одним универсальным ребром. Анализ методом хребта и ребер, раскрытый в предшествующем уровне техники, предназначен только для коррекции отклонения прибора. Однако компенсированная на отклонение прибора плотность может все же иметь ошибку вследствие эффекта фотоэлектрического поглощения. В настоящем изобретении концепция анализа методом хребта и ребер распространена на влияние отклонения прибора путем подстройки откликов дальнего от источника и ближнего к источнику детекторов таким образом, что влияние фотоэлектрического поглощения также исключается при выполнении коррекции отклонения прибора методом хребта и ребер.

Подстановка уравнений (5) и (5а) в уравнение (7) приводит к:

ρ_комп=((1+наклон)/a'_LS)×log(N_LS)-((наклон/a'_SS)×log(N_SS))-

-((1+наклон)/a'_LS)×c'_LS+((наклон/a'_SS)×c'_SS) (уравнение 9)

В системе с импульсной энергией выделение полной энергии или скорость счета являются функцией фотоэлектрического поглощения и плотности пласта. Подстановка уравнений (3) и (3а) в уравнение (9) позволяет выразить компенсированную плотность в виде:

ρ_комп=ρ_{е_сое}×ρ_е+Ре_{_сое}×Ре×ρ_е+С_норм,(уравнение 10)

где:

ρ_{е_сое}=((1+наклон)×(a_LS/a'_LS)-(наклон×(a_SS/a'_SS)), (уравнение 11)

Ре_сое=((1+наклон)×(b_LS/a'_LS)-(наклон×(b_SS/a'_SS)), (уравнение 12)

С_норм=((1+наклон)×((c_LS-c'_LS)/a'_LS)-(наклон×(c_LS-c'_LS)/a'_SS)). (уравнение 13)

Поскольку влияние фотоэлектрического поглощения мало, порядка 1%, то a_LS примерно равно a'_LS, a_SS примерно равно a'_SS, c_LS примерно равно c'_LS и c_SS примерно равно c'_SS. В результате ρ_{е_сое} равно примерно 1 и С_норм примерно равно 0.

Чтобы минимизировать влияние фотоэлектрического поглощения пласта, коэффициент фотоэлектрического поглощения в уравнении (12) необходимо приблизить к 0:

((b_LS/a'_LS)/(b_SS/a'_SS))=(наклон/(1+наклон)).(уравнение 14)

Член в левой части уравнения (14) представляет собой отношение чувствительностей к фотоэлектрическому поглощению дальнего от источника детектора и ближнего к источнику детектора, которое может быть скорректировано фильтрами детекторов. Правый член уравнения (14) зависит от наклона ребер и может быть скорректирован расстояниями детекторов от источника. Когда уравнение (14) удовлетворяется, компенсированная плотность приблизительно равна истинной плотности:

ρ_комп≈ρ_е.(уравнение 15)

Следовательно, при оптимизации конструкции прибора параметрами для регулирования являются расстояния детекторов от источника и фильтры перед каждым детектором. Основным критерием при выборе фильтров является баланс откликов на фотоэлектрическое поглощение между ближним к источнику и дальним от источника детекторами, а не исключение фотонов низких энергий. Поскольку толщина фильтра является важной, предпочтительно, чтобы материалы фильтров имели небольшую вариацию толщины, при этом будет оказываться минимальное влияние на компенсацию. Предпочтительные материалы для фильтров включают в себя железо и нержавеющую сталь. Дальний от источника фильтр должен быть как можно тоньше для максимизации скорости счета фотонов и получения лучшей точности. В отличие от фильтров, раскрытых в патенте US №3321625, которые предназначены для исключения всех чувствительных к фотоэлектрическому поглощению фотонов низких энергий, предложенными фильтрами согласуются отклики дальнего от источника и ближнего к источнику детекторов, так что фотоэлектрическое поглощение компенсируется в то же самое время, когда компенсируется отклонение прибора (то есть осуществляется переход от ρ_каж к ρ_комп) без потери точности.

На фиг.7 показан прибор 30 импульсного энергетического плотностного каротажа, который имеет компенсацию чувствительности к фотоэлектрическому поглощению, описанную выше. На одной стороне корпус 32 прибора облицован направляющей пластиной 34, например, из нержавеющей стали. Направляющая пластина соприкасается со стенкой ствола скважины (в случае отсутствия отклонения прибора) и защищает корпус прибора от абразивного повреждения. Источник 36 фотонов, например бетатрон 1,5 МэВ, испускает импульсы фотонов 38. Как известно из уровня техники, бетатрон 36 включает в себя канал 40, где электроны ускоряются до релятивистской скорости и направляются на мишень 42. Электроны быстро тормозятся на мишени и испускаются тормозные фотоны. Фотоны взаимодействуют с атомами пласта (фотоэлектрический эффект и рассеяние Комптона) и подсчитываемые фотоны обнаруживаются ближним к источнику детектором 44 или дальним от источника детектором 46. Короткий пространственный фильтр 48, образованный из эффективного материала, такого как железо или нержавеющая сталь, надлежащей толщины, расположен перед ближним к источнику детектором, тогда как дальний от источника фильтр 50, также образованный из эффективного материала, такого как железо или нержавеющая сталь, расположен перед дальним от источника детектором. Стенку корпуса можно образовать такой толщины, чтобы она имела необходимую толщину и действовала как фильтр. Номинально фильтры имеют толщины от около 0,25 см до около 0,75 см. Для корректировки эффективного разнесения детекторов ближний к источнику детектор 44 коллимируют под углом 52, отличным от угла 90°, относительно продольной оси 53 прибора.

На фигуре 13 представлен типичный отклик дальнего от источника детектора. Также показаны спектры выделения энергии в результате однофотонных 62, двухфотонных 64, трехфотонных 66 и четырехфотонных 68 всплесков, а также общий оценочный показатель 70. Зарегистрированный спектр выделения энергии (общий оценочный показатель) представляет собой сумму всех всплесков с соответствующими весовыми множителями, вычисленными на основании кажущейся скорости счета (числа импульсов в случае подсчитываемых всплесков) и частоты повторения импульсов (например, 2 кГц). Ниже примерно 150 кэВ преобладают однофотонные всплески. Поэтому ниже 150 кэВ спектр выделения энергии по существу такой же, как истинное распределение энергии подсчитываемых фотонов. Он также является областью, наиболее чувствительной к влиянию фотоэлектрического поглощения, хотя переход от преобладания рассеяния Комптона к преобладанию фотоэлектрического поглощения является постепенным и в некоторой степени зависящим от пласта. Для извлечения Ре скорость счета в этом энергетическом окне выражали в зависимости от плотности пласта и Ре, показанного в уравнении 3. Для извлечения Ре из кажущегося спектра на дальнем от источника детекторе использовали компенсированную плотность (при точности лучше чем ±0,02