Пространственно-направленные измерения с использованием нейтронных источников

Изобретение относится к средствам измерения в скважине, и может быть использовано для обеспечения нейтронных измерений в радиальном направлении. В частности, предложено устройство для осуществления пространственно-направленных измерений формации радиально на 360° вокруг ствола скважины для использования в направленном бурении, содержащее: кожух, характеризующийся размерами для размещения в стволе скважины, а также наличием продольной оси вращения; неэкранированный источник нейтронов, расположенный внутри кожуха; и основанный на использовании нейтронов неэкранированный детектор, указанный неэкранированный детектор, основанный на использовании нейтронов, расположен со смещением от и ассиметрично вдоль продольной оси вращения кожуха относительно источника нейтронов. При этом устройство выполнено с возможностью вращаться таким образом, что при вращении, когда проходит в скважину, получают пространственно-направленные измерения формации радиально на 360° вокруг ствола скважины, когда указанное устройство поворачивается на 360° относительно продольной оси вращения в стволе скважины. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Настоящее описание относится к направленным измерениям в стволе скважины, и, в частности, к направленным измерениям в стволе скважины на основе информации, сгенерированной источниками нейтронов.

Уровень техники

Скважинные измерительные устройства могут быть использованы для определения характеристик формаций, окружающих ствол скважины, и указанные приборы обычно используют в стволах скважины, пробуренных в целях извлечения натуральных ресурсов, таких как углеводороды, из формаций, окружающих ствол скважины. Скважинные измерительные устройства могут осуществлять различные типы измерений, например, скважинное измерительное устройство может осуществлять измерения гамма-излучений, измерения тепловых нейтронов, измерения сопротивлений или другие типы измерений.

Применение скважинного измерительного прибора для определения характеристик формаций существующего вертикального ствола скважины представлено на фиг. 1. Как представлено на фигуре, ствол 102 скважины пробурен через несколько формаций 104a, 104b, 104c, 104d, 104e. Измерительное устройство 106 может быть опущено в ствол скважины для определения одной или нескольких характеристик. Измерительное устройство 106 может содержать, например, источник 108 нейтронов и один или несколько детекторов 110b, 110a нейтронов, таких как детекторы гамма-излучения, детекторы тепловых нейтронов или детекторы надтепловых нейтронов. Характеристики измерений могут быть связаны с глубиной измерений внутри ствола скважины. Измерения в вертикальных стволах скважины могут быть выполнены после выполнения бурения ствола скважины или при осуществлении его бурения.

Стволы скважины могут также содержать горизонтально пробуренный участок. В случае горизонтальных стволов скважин может быть осуществлено управление направлением бурения для того, чтобы «направлять» ствол скважины.

Направлением бурения можно управлять при помощи геонавигации. При осуществлении геонавигации могут быть использованы анализ частиц разбуренной породы и/или измерения сопротивления и/или измерения естественного гамма излучения для того, чтобы определить характеристики окружающих формаций, и, исходя из этого, определить подходящее или желательное направление бурения. Анализ частиц разбуренной породы, как правило, включает выполнение геологом, обслуживающим буровые работы, анализа частиц разбуренной породы во время бурения. После этого на базе результатов анализа выбирают направление бурения. При использовании скважинных измерений, таких как измерения сопротивления или естественного гамма излучения, может быть использован анализ измерений для того, чтобы определить траекторию ствола буровой скважины или архитектуру ствола буровой скважины.

При осуществлении геонавигации желательно находиться в передней части колонны бурильных труб или максимально близко к передней части колонны бурильных труб, а также измерять характеристики формации на максимально возможном расстоянии перед буровым долотом. С целью предоставления направленной информации, необходимо обеспечить измерения в радиальном направлении колонны бурильных труб. Как правило, направленные измерения не включают измерений на радиоактивной основе в виду всенаправленного характера указанных измерений. Детекторы гамма-излучения могут обеспечить радиальные измерения благодаря использованию экранирующего материала, содержащего окно в одной области. Хотя содержащий неэкранированное окно детектор гамма-излучения может осуществлять гамма-излучения, желательно иметь возможность использовать нейтронные измерения, такие как измерения по тепловым или надтепловым нейтронам, поскольку эти нейтроны способны глубже проникать в формации. Однако, толщина экрана, необходимого для экранирования нейтронов, является довольно значительной, и, следовательно, использование подобных устройств в связанных с бурением ствола скважины применениях может быть практически нецелесообразным.

Следовательно, существует необходимость в осуществлении нейтронных измерений в радиально направлении.

Сущность изобретения

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается устройство для использования в направленном бурении, содержащее кожух, характеризующийся размерами для размещения в стволе скважины, а также наличием продольной оси вращения, источник нейтронов, расположенный внутри кожуха, и основанный на использовании нейтронов детектор, расположенный внутри кожуха, при этом по меньшей мере один из источника нейтронов и основанного на использовании нейтронов детектора смещен относительно продольной оси вращения.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства источник нейтронов расположен вдоль продольной оси вращения, а основанный на использовании нейтронов детектор смещен относительно продольной оси вращения.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства основанный на использовании нейтронов детектор расположен вдоль продольной оси вращения, а источник нейтронов смещен относительно продольной оси вращения.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства источник нейтронов смещен относительно продольной оси вращения, и основанный на использовании нейтронов детектор смещен относительно продольной оси вращения.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства основанный на использовании нейтронов детектор выбран из группы, состоящей из детектора надтепловых нейтронов; детектора тепловых нейтронов; и детектора гамма-излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройство дополнительно содержит второй основанный на использовании нейтронов детектор, расположенный внутри кожуха.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства первый детектор нейтронов представляет собой детектор тепловых нейтронов, а второй детектор нейтронов представляет собой детектор гамма-излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройство дополнительно содержит ближний детектор тепловых нейтронов, расположенный на первом расстоянии в продольном направлении от источника нейтронов; дальний детектор тепловых нейтронов, расположенный на втором расстоянии, которое превышает первое расстояние, в продольном направлении от источника нейтронов; ближний детектор гамма-излучения, расположенный на третьем расстоянии в продольном направлении от источника нейтронов; и дальний детектор гамма-излучения, расположенный на дополнительном расстоянии, которое превышает третье расстояние, в продольном направлении от источника нейтронов.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства по меньшей мере один из источника нейтронов и детектора нейтронов выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси вращения относительно ствола скважины.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройство дополнительно содержит устройство определения направления, которое способно определять угловое положение основанного на использовании нейтронов детектора относительно источника нейтронов.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройство дополнительно содержит интерфейс связи, предназначенный для передачи измерений основанного на использовании нейтронов детектора в вычислительное устройство, расположенное за пределами скважины.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства интерфейс связи дополнительно передает угловое положение основанного на использовании нейтронов детектора относительно источника нейтронов.

Согласно дополнительному варианту осуществления устройства интерфейс связи обеспечивает связь в режиме реального времени или в режиме, близком к реальному времени, с вычислительным устройством, расположенным за пределами скважины.

Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения также предлагается способ определения информации в радиальном направлении о характеристиках формации, окружающей ствол скважины. Способ включает: получение измерительной информации от скважинного измерительного устройства, содержащего источник нейтронов и основанный на использовании нейтронов детектор, причем по меньшей мере один из источника нейтронов и основанного на использовании нейронов детектора смещен относительно продольной оси вращения измерительного устройства, при этом измерительная информация содержит измерение, выполненное основанным на использовании нейтронов детектором, и показатель относительного направления источника нейтронов и основанного на использовании нейтронов детектора относительно ствола скважины при выполнении соответствующего измерения; и определение характеристики формации в радиальном направлении вокруг ствола скважины, причем характеристику формации определяют на основании полученного показателя измерения, выполненного основанным на использовании нейтронов детектором, при этом радиальное направление определяют исходя из относительного направления.

Согласно дополнительному варианту осуществления способа скважинное измерительное устройство содержит несколько детекторов нейтронов, установленных ассиметрично относительно источника нейтронов.

Согласно дополнительному варианту осуществления способа несколько детекторов нейтронов включают в себя: по меньшей мере один детектор тепловых нейтронов; по меньшей мере один детектор гамма-излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления способа несколько детекторов нейтронов включают в себя: ближний детектор тепловых нейтронов; дальний детектор тепловых нейтронов; ближний детектор гамма-излучения; и дальний детектор гамма-излучения.

Краткое описание чертежей

Далее в настоящем документе приводится раскрытие вариантов осуществления, описанных со ссылками на прилагаемые фигуры, где:

на фиг. 1 представлена схема прибора каротажа для осуществления скважинных измерений в вертикальном стволе скважины;

на фиг. 2 представлена схема буровой системы, предназначенной для осуществления направленных измерений с использованием источника нейтронов;

на фиг. 3 представлен график зависимости смещения нейтронного источника от дифференциальной интенсивности нейтронов;

на фиг. 4 представлено изображение испытательного устройства, используемого при тестировании направленных измерений с использованием источника нейтронов;

на фиг. 5 представлена схема нейтронных полей в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4;

на фиг. 6A-D представлены схемы нейтронных полей с различными положениями источника нейтронов в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4;

на фиг. 7 представлен график измерений, выполненных в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4;

на фиг. 8 представлен график измерений, выполненных в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4;

на фиг. 9 представлена схема примера прибора каротажа, способного осуществлять направленные измерения с использованием источника нейтронов;

на фиг. 10 представлен дополнительный пример прибора каротажа, способного осуществлять направленные измерения с использованием источника нейтронов;

на фиг. 11A-C представлены иллюстративные примеры расположения источника и детектора нейтронов;

на фиг. 12 представлены компоненты системы направленного бурения; и

на фиг. 13 представлен способ осуществления направленной навигации с использованием источника нейтронов.

Подробное описание изобретения

Как дополнительно описано ниже, существует возможность осуществлять направленные измерения с использованием источника нейтронов и без использования экранирования. Основанные на использовании нейтронов направленные измерения могут быть использованы в геонавигации бурения скважины. А именно, направленные измерения могут быть использованы для определения или способствования определению характеристик формации, окружающей ствол скважины, а также для определения пути бурения ствола скважины. Источники и детекторы нейтронов могут обеспечить полезную информацию о характеристиках формации. Как дополнительно описано в настоящем документе, существует возможность определить направление этих измерений и, таким образом, определить местоположение или предполагаемое местоположение релевантных характеристик формации. Соответственно, существует возможность использовать направленные измерения для того, чтобы «направлять» путь бурения ствола скважины к местоположению, характеризующемуся желаемыми характеристиками формации, обеспечивая дополнительно оптимизированную архитектуру бурения для добычи углеводородов, таких как нефть и газ.

На фиг. 2 представлена схема буровой системы, предназначенной для осуществления направленных измерений с использованием источника нейтронов. Как представлено на фигуре, ствол 202 скважины пробурен через геологическую среду, которая может содержать несколько различных формаций 204a, 204b, 204c (совместно именуемых формациями 204). Следует понимать, что различные формации будут обладать различными характеристиками, такими как пористость, плотность, глинистость, нефтенасыщенность, водонасыщенность и другие характеристики. Желаемый путь бурения может быть определен на основе указанных желаемых характеристик. Например, если ствол скважины пробурен для нефтяной скважины, желательно направить ствол скважины в формацию, которая характеризуется высокой нефтенасыщенностью, или характеристиками, которые предполагают наличие высокой нефтенасыщенности. Ствол 202 скважины формируют буровой системой 206.

Буровая система 206 содержит несколько компонентов для бурения ствола 202 скважины, а также для измерения и получения данных каротажа ствола 202 скважины и окружающей формации 204. Следует понимать, что буровая система 206 является типичной буровой системой, при этом возможны различные специфические буровые системы, которые конкретно подходят для конкретного практического применения, известные специалисту в данной области техники. Буровая система 206 содержит колонну бурильных труб, расположенную в стволе скважины. Колонна бурильных труб содержит в своей головной части буровое долото 208 и гидравлический забойный двигатель 210. Буровой глинистый раствор с поверхности под давлением подают в гидравлический забойный двигатель 210. Подача бурового глинистого раствора вызывает вращение гидравлическим забойным двигателем 210 бурового долота 208. Следует отметить, что во время использования изображенного гидравлического забойного двигателя расположенные выше компоненты колонны, которые являются компонентами колонны бурильных труб, установленными между гидравлическим забойным двигателем 210 и поверхностью, не вращаются вместе с буровым долотом 208.

Одна или несколько труб 212 могут быть включены в состав колонны бурильных труб. Изображенная на фигуре труба 212 содержит несколько сенсорных устройств 216, 218, 226, расположенных в ее внутреннем пространстве 214. Следует понимать, что множество различных сенсорных устройств может быть включено в состав колонны бурильных труб в различных местах. Изображенные на фигуре сенсорные устройства 216, 218, 226 расположены для удобства внутри одной и той же трубы 212. Различные сенсорные устройства могут характеризоваться различным функциональным назначением. Например, следует понимать, что сенсорное устройство 216 может осуществлять телеизмерения, измерения угла наклона, измерения напряжения магнитного поля, измерения давления, измерения вибраций или другие типы измерений по желанию и при необходимости.

Сенсорное устройство 218 также осуществляет измерения, однако, как описано ниже, оно осуществляет основанные на присутствии нейтронов измерения. Указанные измерения могут предоставлять сведения о характеристиках формации, окружающей ствол скважины. Предпочтительно, указанные измерения являются направленными, таким образом, существует возможность определить характеристики формации в конкретных радиальных направлениях. Например, существует возможность определять характеристики ствола скважины «выше» ствола скважины и «ниже» ствола скважины. Следует отметить, что термины «выше» и «ниже» использованы относительно ствола скважины, представленного на фиг. 2. Характеристики формаций, которые могут быть определены на основании измерений, зависят от сенсоров, входящих в состав устройства, тем не менее, измерения могут включать в себя, например, измерения плотности, пористости, насыщенности, диаметра ствола скважины. Представленное на фигуре сенсорное устройство 218 содержит источник 222 нейтронов, а также два основанных на использовании нейтронов детектора 220, 224. Например, один из детекторов, например, детектор 220 может быть детектором гамма-излучения, а второй детектор 224 может быть детектором тепловых нейтронов или детектором надтепловых нейтронов. Как дополнительно описано ниже, источник 222 нейтронов и/или детекторы 220, 224 расположены со смещением относительно продольной оси сенсорного устройства 218. Расположение со смещением относительно центра обеспечивает осуществление направленных измерений при вращении сенсорного устройства 218 относительно ствола 202 скважины.

Сенсорные устройства 216, 218 могут хранить измерительную информацию во внутренней памяти для дальнейшего извлечения и обработки на поверхности. Дополнительно или альтернативно, измерительная информация или ее часть может быть передана в режиме реального времени или в режиме, близкому к реальному времени, на поверхность при помощи различных технологий связи. Например, дополнительное устройство 226 может принимать измерительную информацию от нескольких сенсорных устройств 216, 218 и обеспечивать хранение измерений и/или передачу измерений на поверхность. Например, дополнительное устройство 226 может обеспечивать интерфейс проводной связи или другой тип предназначенного для использования в скважине интерфейса связи, такого как гидроимпульсная скважинная телеметрия. Хотя хранение и/или передача измерений сенсорными устройствами 216, 218 были описаны в качестве осуществляемых дополнительным устройством 226, предполагают, что интерфейс для хранения и/или связи может быть выполнен в каждом отдельном устройстве.

Направленные измерения, осуществленные при помощи основанного на использовании нейтронов устройства 218, могут быть использованы при определении характеристик формаций в различных радиальных направлениях вокруг скважины. Эти направленные измерения могут быть использованы при определении пути бурения ствола скважины. Колонна бурильных труб может также содержать направляющий компонент 228, который управляет ориентацией бурового долота 208, и, таким образом, управляет путем бурения. Известны многочисленные технологии для осуществления направления бурового долота, и далее в настоящем документе они рассматриваться не будут. Утяжеленная бурильная труба, содержащая секции трубы 230 большого диаметра, присоединена к другим компонентам для образования скважинного узла. Скважинный узел связан с поверхностью при помощи некоторого количества буровых труб меньшего диаметра.

Грубо говоря, основанное на использовании нейтронов устройство для направленного измерения вращают в стволе 202 скважины, при этом оно осуществляет направленные измерения формаций, окружающих ствол скважины. Измерения используют для определения характеристик формаций, которые, в свою очередь, могут быть использованы для определения желательного пути бурения. Впоследствии ориентация бурового долота 208 может быть отрегулирована для того, чтобы осуществить бурение ствола 202 скважины вдоль желательного пути бурения.

На фиг. 3 представлен график зависимости смещения нейтронного источника от дифференциальной интенсивности нейтронов. Нейтронный источник изначально расположили на расстоянии 9 см от детектора нейтронов, при этом начальная интенсивность составляла 16000 подсчетов в секунду. При уменьшении расстояния между источником и детектором нейтронов до 8 см обнаруживаемая интенсивность снизилась приблизительно на 4000 подсчетов в секунду. При увеличении расстояния между источником и детектором нейтронов до 10 см обнаруживаемая интенсивность увеличилась приблизительно на 3000 подсчетов в секунду. Как можно увидеть, посредством изменения расстояния между источником и детектором нейтронов лишь на 2 см, интенсивность изменилась приблизительно на 7000 подсчетов в секунду.

Даже небольшие изменения ориентации источника нейтронов и детектора нейтронов могут вызвать значительные изменения в измерениях. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что небольшое изменение ориентации источника нейтронов и детектора нейтронов относительно формации может обеспечить направленные измерения с использованием источников нейтронов и без необходимости в экранировании.

На фиг. 4 представлена схема испытательного устройства, используемого при тестировании направленных измерений с использованием источника нейтронов. Испытательное устройство 400 содержит большой бак-накопитель 402, который характеризуется диаметром 6 футов и длиной 7 футов, и установлен на раме 404. Отверстие 406 в верхней части бака 402 позволяет осуществлять наполнение и опорожнение бака. Труба 408 проходит через продольный центр бака 402. Труба 408 характеризуется наличием отверстия, через которое основанное на использование нейтронов измерительное устройство 410 вводят в заполненный бак 402 для осуществления измерений. При осуществлении тестирования основанного на использовании нейтронов измерительного устройства 410 различные жидкости, такие как пресная вода, соленая вода и/или нефть, могут быть налиты в бак 402. Для определения способности осуществлять направленные измерения бак был заполнен пресной водой и нефтью 32 API.

На фиг. 5 представлена схема нейтронных полей в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4. На фиг. 5 основанное на использовании нейтронов измерительное устройство не обеспечивает осуществление направленных измерений. Бак 302 наполнен пресной водой 502 и нефтью 32 API 504. Основанное на использовании нейтронов измерительное устройство размещено в трубе 308. Измерительное устройство содержит источник 508 нейтронов и детектор 506 нейтронов, которые аксиально выронены вдоль продольной оси вращения измерительного устройства. Измерительное устройство обеспечивает измерение нейтронного поля 514 или поля воздействия. Нейтронное поле 514 представляет собой сочетание ожидаемого нейтронного поля для бака, заполненного пресной водой, которое отмечено выполненной пунктиром окружностью 512, и ожидаемого нейтронного поля для бака, заполненного нефтью, которое отмечено выполненной пунктиром окружностью 510. Линия 510 нейтронного поля для заполненного нефтью бака представляет теоретический размер поля, когда бак 302 полностью заполнен нефтью 32 API. Линия 512 нейтронного поля для заполненного пресной водой бака представляет теоретический размер поля, когда бак 302 полностью заполнен водой. Линия 514 объединенного нейтронного поля представляет теоретические размер и форму поля с текучей средой на основе смеси воды и нефти. Следует отметить, что изображенные размеры и формы полей представляют собой теоретическое изображение и фактическое поле может отличаться от изображенного поля. Поскольку измерительное устройство вращают, выравнивание источника 508 нейтронов и детектора 506 нейтронов остается неизменным, и, соответственно, независимо от ориентации измерительного устройства в результате будет осуществлено одно и то же измерение, и, соответственно, направленные измерения не могут быть выполнены.

На фиг. 6A-D представлены схемы нейтронных полей с различными положениями источника нейтронов в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4. Конфигурация испытательного устройства, используемого для получения схем на фиг. 6A-D, по существу аналогична конфигурации, которая описана выше, и, следовательно, аналогично обозначенные элементы не будут повторно описываться. В отличие от источника 508 нейтронов и детектора 506 нейтронов, положение которых относительно ориентации измерительного устройства остается неизменным, положение детекторов 602a, 602b, 602c, 602d нейтроном и источников 604a, 604b, 604c, 604d нейтронов изменяется в зависимости от ориентации измерительного устройства. На фиг. 6A представлено положение источника 604a нейтронов и детектора 602a нейтронов с предполагаемым вращением, составляющим 0 градусов. На фиг. 6B представлено положение источника 604b нейтронов и детектора 602b нейтронов, повернутое на 90 градусов по часовой стрелке относительно положения на фиг. 6A. На фиг. 6C представлено положение источника 604c нейтронов и детектора 602c нейтронов, повернутое на 180 градусов по часовой стрелке относительно положения на фиг. 6A. На фиг. 6D представлено положение источника 604d нейтронов и детектора 602d нейтронов, повернутое на 270 градусов по часовой стрелке относительно положения на фиг. 6A. Согласно представленным на фигурах данным, так как вращение вызывает изменение положения источника и детекторов нейтронов, происходит изменение результирующего нейтронного поля и его измерения. Если измерения связаны с угловым положением измерительного устройства, то существует возможность определить направленные измерения для характеристик формации.

На фиг. 7 представлен график измерений, выполненных в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4. Измерения были зарегистрированы при помощи нейтронного измерительного устройства, характеризующегося наличием источника нейтронов и четырех разнесенных детекторов нейтронов. Детекторы включают в себя ближний детектор поля нейтрон-нейтронного метода (SNN), ближний детектор поля нейтронного гамма метода (SNG), дальний детектор поля нейтрон-нейтронного метода (LNN), дальний детектор поля нейтронного гамма метода (LNG), при этом представлены только величины SNN и SNG. Следует отметить, что наименования устройств для скважинных геофизических измерений основаны на источнике - физическом механизме обнаружения. Например, нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам указывает на наличие источника нейтронов и обнаружение тепловых нейтронов. Ближние детекторы расположены ближе к источнику нейтронов, чем дальние детекторы. Кроме того, каждый из детекторов был выровнен вдоль продольной оси вращения измерительного устройства, и источник нейтронов был установлен со смещением относительно продольной оси вращения измерительного устройства. Бак был заполнен водой и нефтью, при этом поверхность раздела нефть-вода была расположена на расстоянии 15 см от центра бака. Относительное направление ноль градусов представляет собой положение, в котором источник расположен непосредственно в верхней части прибора, как представлено на фиг. 6A, при этом измерительное устройство вращали в направлении по часовой стрелке, как представлено на фиг. 6A-D. Полиномиальные кривые для обоих детекторов являются результатом наилучше подобранного уравнения второго порядка, которое покажет точки максимального перегиба для SNN и SNG. Измерительное устройство поворачивали на 40 градусов, после чего регистрировали измерения в течение приблизительно 120 секунд перед осуществлением поворота измерительного устройства в следующее положение.

Как видно на фиг. 7, точки максимального перегиба кривой возникают при относительном направлении ноль градусов в соответствии с фиг. 6A. Это согласуется с теоретической моделью и подтверждает то, что могут быть осуществлены направленные нейтронные измерения. Поскольку измерения изменяются совместно с вращением измерительного устройства, существует возможность использовать данные измерения, совместно со связанными данными относительного направления, для определения характеристик формации в радиальных направлениях ствола скважины. Эта информация может затем быть использована при определении желаемого пути бурения.

В качестве иллюстративного примера, если измерения SNN рассматривали в качестве показывающих количество нефти в формации, например, более высокие данные измерений SNN указывали более высокие количества нефти, измерения на фиг. 7 могут быть использованы для направления «вверх» пути бурения, то есть в направлении относительно направления 0 градусов. Хотя измерения SNN непосредственно не предоставляют значение содержания нефти, та же концепция применяется для управления путем бурения на основании измерений, связанных с угловым положением измерительного устройства. То есть, желательная характеристика формации может быть определена на основании различных измерений, например. SNN. SNG, LNN и LNG, для различных относительных направлений, после чего осуществляют управление путем бурения на основе местоположения наиболее желательных характеристик формации.

На фиг. 8 представлен график измерений, выполненных в испытательном устройстве, представленном на фиг. 4. Конфигурация измерительного устройства была аналогична описанной выше конфигурации относительно фиг. 7. Для получения тестовых данных, представленных на фиг. 8, бак был заполнен таким образом, чтобы поверхность раздела нефть-вода была расположена на расстоянии 20,5 см от центра бака. И в этом случае результаты показали, что измерения изменяются совместно с вращение источника и детекторов. В частности, значения измерения SNN являются самыми высокими, когда источник направлен к поверхности раздела нефть-вода, т.е. при 0 градусов, и самыми низкими при повороте на 180 градусов от поверхности раздела. Аналогично, значения измерения SNG являются самыми низкими, когда источник направлен к поверхности раздела нефть-вода, т.е. при 0 градусов, и самыми высокими при повороте на 180 градусов от поверхности раздела.

Исходя из изложенного выше очевидно, что существует возможность осуществлять основанные на использовании нейтронов направленные измерения без применения экранирующего материала. В качестве еще одного преимущества следует отметить то, что в виду отсутствия экранирующего материала, скорость счета сенсора будет выше, чем скорость счета сенсора, в котором используют экранирующий материал. Это может быть преимущественным при осуществлении измерений гамма-излучения и нейтронных измерений, в которых снижается ошибка с увеличением значений скорости счета детекторов нейтронов и гамма-излучения. В частности, ошибка пропорциональна квадратному корню значения скорости счета детектора гамма-излучения и нейтронов.

На фиг. 9 представлена схема буровой системы, предназначенной для осуществления направленных измерений с использованием источника нейтронов. Устройство 900 может быть включено в состав колонны бурильных труб для осуществления измерений во время бурения. Альтернативно, устройство 900 может быть использовано для осуществления измерений в уже сформированном стволе скважины. Устройство содержит кожух 902 или оболочку. Кожух 902 устройства 900 является удлиненным и характеризуется наличием продольной оси вращения. Внутренний кожух 904 может быть расположен внутри кожуха 902. Внутренний кожух 904 выполнен с возможностью вращения внутри кожуха 902. Альтернативно, кожух 902 может быть выполнен в виде секции утяжеленной бурильной трубы или бурильной трубы, и внутренний кожух 904 может быть выполнен с возможностью вращения внутри утяжеленной бурильной трубы или бурильной трубы. Ротационный двигатель 906 обеспечивает вращательное движение внутреннего кожуха 904 относительно кожуха 902, или более конкретно относительно ствола скважины. Устройство 900 может содержать сенсоры (не показаны) для определения положения кожуха 902 в стволе скважины, а также сенсоры для определения углового положения внутреннего кожуха 904 относительно кожуха 902. Поскольку известно положение кожуха 902 в стволе скважины, а также известно угловое положение внутреннего кожуха 904 относительно кожуха, то может быть определено положение внутреннего кожуха 904 относительно ствола скважины.

Устройство дополнительно содержит источник 908 нейтронов и один или несколько основанных на использовании нейтронов детекторов 910, 912, 914, 916, таких как детекторы гамма-излучения, детекторы тепловых нейтронов и/или детекторы надтепловых нейтронов. Как представлено на фигуре, источник 908 нейтронов и основанные на использовании нейтронов детекторы 910, 912, 914, 916 расположены со смещением от продольной оси вращения устройства. Хотя источник 908 нейтронов и основанные на использовании нейтронов детекторы 910, 912, 914, 916 представлены расположенными со смещением, предполагают, что либо источник нейтронов, либо детекторы 910, 912, 914, 916 могут быть совмещены с продольной осью вращения. С целью осуществить основанные на использовании нейтронов направленные измерения, источник 908 нейтронов и детекторы 910, 912, 914, 916 нейтронов расположены асимметрично вдоль продольной оси вращения таким образом, чтобы ориентация источника 908 и/или детекторов 910, 912, 914, 916 относительно ствола скважины изменялась при вращении устройства относительно ствола скважины.

На фиг. 10 представлен еще один прибор каротажа, способный осуществлять направленные измерения с использованием источника нейтронов. Прибор 1000 каротажа может быть расположен внутри бурильной трубы или колонны обсадных труб. Прибор 1000 каротажа может вращаться совместно с бурильной трубой, которая в свою очередь вращается при помощи буровой вышки. Альтернативно, электрический двигатель может быть использован для вращения прибора каротажа при подаче электроэнергии к прибору каротажа с поверхности. Следует понимать, что другие технологии могут быть использованы для вращения прибора каротажа.

Прибор 1000 каротажа может содержать цилиндрический кожух 1002 для размещения различных детекторов и компонентов прибора. Хотя конкретные размеры могут изменяться, прибор 1000 каротажа представлен характеризующимся длиной 179 дюймов. Основной цилиндрический кожух может характеризоваться наличием внешнего диаметра, составляющего приблизительно 1,7 дюйма. Как представлено на фигуре, прибор 1000 каротажа содержит различные сенсоры и детекторы, расположенные по длине прибора. Верхний температурный сенсор 1004, который также может измерять удельное электрическое сопротивление текучей среды, может быть расположен на расстоянии 6,25 дюйма от верхнего конца прибора. Высокочувствительный детектор 1006 гамма-излучения и детектор 1008 гамма-излучения могут быть расположены на расстоянии 17,5 дюйма и 38,1 дюйма от верхнего конца, соответственно. Локатор 1010 муфты колонны обсадных труб может быть расположен на расстоянии 71,5 дюйма от верхнего конца. Дальний и ближний детекторы 1012, 1014 поля нейтронного гамма метода могут быть расположены на расстоянии 101 дюйма и 110 дюймов от верхнего конца, соответственно. Источник 1016 нейтронов, такой как америций-бериллиевый источник, может быть расположен на расстоянии 121,7 дюйма от верхнего конца. Как описано выше, источник и детекторы расположены со смещением друг от друга в аксиальном направлении для того, чтобы обеспечить направленные измерения. Как представлено на фигуре, источник 1016 может удерживаться за пределами основного цилиндрического корпуса 1002 при помощи рычагов 1018. Источник может быть частью механизма на основе подпружиненных рычагов, который будет устанавливать источник к внутренней стенке бурильной трубы для обеспечения смещения между источником и детекторами. Ближний и дальний детекторы 1020, 1022 поля нейтрон-нейтронного метода могут быть расположены на расстоянии 136,2 дюйма и 144,4 дюйма от верхнего конца, соответственно. Нижний сенсор 1024 температуры и удельного электрического сопротивления текучей среды может быть расположен на расстоянии 172,8 дюйма от верхнего конца прибора каротажа. Следует понимать, что прибор каротажа, изображенный на фиг. 10, предназначен для предоставления иллюстративного расположения компонентов. Предполагается, что могут быть исключены различные компоненты, изменены их положения внутри прибора, включая расстояния от верхнего конца, и добавлены другие компоненты. Прибор каротажа может осуществить направленные измерения при смещении источника нейтронов и детекторов относительно друг друга в аксиальном направлении.

На фиг. 11A-C представлены иллюстративные примеры расположения источника и детектора нейтронов. На фиг. 11A-C представленные различные асимметричные расположения источников нейтронов и основанных на использовании нейтронов детекторов относительно продольной оси вращения устройства. Как представлено на фиг. 11A, источник 1104A нейтронов может быть совмещен с продольной центральной линией устройства или, более конкретно, корпуса 1102 устройства. Один или несколько детекторов 11 Оба нейтронов могут быть расположены со смещением в аксиальном направлении относительно центральной оси вращения устройства. Альтернативно, как представлено на фиг.11b, источник 1104b нейтронов может быть расположен со смещением в аксиальном направлении от продольной оси вращения устройства или, более конкретно, корпуса 1102 устройства, а один или несколько детекторов 1106b нейтронов могут быть совмещены с продольной осью вращения устройства. Альтернативно, как представлено на фиг.11c, источник 1104c нейтронов может быть расположен со смещением в аксиальном направлении от продольной оси вращения устройства или, более конкретно, корпуса 1102 устройства, и один или несколько детекторов 1106c нейтронов могут быть расположены со смещением в аксиальном направлении от продольной оси вращения устройства.

На фиг. 12 представлены компоненты системы направленного бурения. Система 1200 направленного бурения содержит компоненты, расположенные на поверхности, а также скважинные компоненты. Скважинные компоненты могут быть выполнены в качестве части скважинного узла 1202. Скважинный узел 1202 содержит источник 1203 нейтронов, который испускает нейтроны. Возможно использование различных источников нейтронов, таких как химические источники, содержащие америций-бериллий (Am-Ве) или плутоний-бериллий (Pu-Ве). Размер и форма источника нейтронов могут изменяться в зависимости от конкретных основных эксплуатационных характеристик; тем не менее, в качестве примера, источник может характеризоваться диаметром приблизительно ¾ дюйма и длиной приблизительно 3 дюйма. Типичные значения интенсивности источника составляют 3, 5, 15 и 20 Кюри. Скважинный узел 1202 включает в себя несколько основанных на использовании нейтронов детекторов 1204, 1206, 1208, 1210. Основанные на использовании нейтронов детекторы могут включать в себя дальний детектор 1204 поля нейтронного гамма метода (LNG), ближний детектор 1206 поля нейтронного гамма метода (SNG), ближний детектор 1208 поля нейтрон-нейтронного метода (SNN) и дальний детектор 1210 поля нейтрон-нейтронного метода (LNN). Обозначение детекторов как «ближний» или «дальний» имеет отношение к удалению детектора от источника в продольном направлении скважинного узла 1202. Дальние детекторы, LNG и LNN, расположены дальше от источника, чем ближние детекторы, SNG и SNN. Конкретные местоположения детекторов SNG, SNN, LNG и LNN относительно источника нейтронов могут быть изменены. Радиальное расположение источника 1203 нейтронов и основанных на использовании нейтронов детекторов 1204, 1206, 1208, 1210 асимметрично относительно продольной оси вращения скважинного узла 1202. Измерения, выполненные различными основанными на использовании нейтронов детекторами, могут быть использованы отдельно или в сочетании друг с другом для того, чтобы обеспечить указание характеристик формации, а также характеристик ствола скважины в соответствующих угловых положениях скважинного узла 1202. Характеристики могут включать в себя, например, плотность, пористость, насыщенность, диаметр ствола скважины. Хотя в описании упоминаются специализированные основанные на использовании нейтронов детекторы 1204, 1206, 1208, 1210, предполагается, что основанные на использовании нейтронов направленные измерения с использованием различных детекторов могут быть выполнены при помощи подобного асимметричного расположения источника и детектора. Например, скважинный узел, способный осуществлять направленные измерения, может включать в себя только один тип детектора, например, детектор тепловых нейтронов, детектор тепловых нейтронов или детектор гамма-излучения. Альтернативно, могут быть использованы несколько различных детекторов, таких как детектор надтепловых нейтронов и детектор тепловых нейтронов или детектор надтепловых нейтронов и детектор гамма-излучения, или детектор надтепловых нейтронов/тепловых нейтронов и детектор гамма-излучения. Дополнительно, описанный скважинный узел 1202 включает в себя ближние и дальние детекторы различных типов; тем не менее, предполагается, что продольное расположение каждого из детекторов может быть изменено.

Дополнительно к источнику 1203 нейтронов и основанным на использовании нейтронов детекторам 1204, 1206, 1208, 1210 скважинное устройство 1202 дополнительно содержит компоненты 1212 установки направления, предназначенные для управления ориентацией источника 1203 нейтронов и детекторов 1204, 1206, 1208, 1210. Компоненты 1212 установки направления могут включать в себя сенсор 1214 направления, который обеспечивает указание углового положения источника нейтронов и детекторов. Устройство 1216 управления направлением позволяет установить положение источника нейтронов и детекторов, вращаемых относительно ствола скважины.

Скважинный узел 1202 может дополнительно содержать микропроцессор 1218 и источник питания 1220. Микропроцессор 1218 принимает сигналы от детекторов 1204, 1206, 1208, 1210 и сенсора 1214 направления. Микропроцессор 1218 может обрабатывать сигналы от различных датчиков. Обработка может включать увязывание измерения углового положения с измерениями от различных детекторов. Микропроцессор 1218 может также управлять работой устройства 1216 управления направлением для того, чтобы периодически вращать источник и детекторы в стволе скважины. Измерения и связанное угловое положение источника и детекторов, в котором они находились при осуществлении измерений, могут быть переданы от скважинного узла 1202 на поверхность с использованием интерфейса 1222 связи. Интерфейс 1222 связи может обеспечить двустороннюю связь между поверхностью и скважинным узлом 1202. Двусторонняя связь может быть использована для связи с устройством 1224 управления направлением бурового долота для управления ориентацией бурового долота и, следовательно, пути бурения. Интерфейс 1222 связи может связываться с соответствующим интерфейсом 1228 связи, расположенным на поверхности. Интерфейсы 1222, 1228 связи могут использовать один или несколько типов связи, включая, например, гидроимпульсную скважинную телеметрию.

Система 1226 управления обеспечивает управление бурением ствола скважины с поверхности. Система 1226 управления может предоставить информацию о характеристиках формации на основе направленных измерений, полученных от скважинного узла по интерфейсу 1228 связи.

Система 1226 управления содержит электронное вычислительное устройство, изображенное на фигуре в качестве вычислительного устройства 1230; однако, предполагается, что вычислительное устройство может быть обеспечено посредством одной или нескольких вычислительных систем, соединенных друг с другом. Система 1226 управления включает в себя средство для отображения информации о характеристиках формации. Средство отображения изображено на фигуре в качестве дисплея или монитора 1232; тем не менее, могут быть использованы другие средства отображения, такие как принтеры, датчики, светоизлучающие диоды (СИД).

Вычислительное устройство 1230 включает в себя центральный вычислительный блок 1232, который может представлять собой один или несколько соединенных вместе процессоров. Блок 1234 памяти и блок 1236 энергонезависимого запоминающего устройства обеспечивают хранение информации. Блок 1234 памяти может хранить команды 1238, которые могут быть выполнены процессорами. Интерфейсы 1240 входа/выхода обеспечивают интерфейс для связи между вычислительным устройством 1230 и внешними устройствами, такими как интерфейс 1238 связи. Команды 1238 включают в себя команды для обеспечения функциональных средств 1242 основанных на использовании нейтронов направленных измерений и функциональных средств 1244 управления буровым долотом.

Функциональные средства 1244 управления буровым долотом предоставляют функциональные средства для управления ориентацией бурового долота с тем, чтобы управлять путем бурения по необходимости. Функциональные средства 1242 основанных на использовании нейтронов направленных измерений определяют характеристики, окружающего ствола скважины. Определенные характеристики формации могут быть использованы при определении желательного направления пути бурения.

Характеристики формаций, которые должны быть определены, будут изменяться в зависимости от того, какие основанные на использовании нейтронов детекторы присутствуют в измерительном устройстве. Если измерительное устройство включает в себя детекторы SNN, SNG, LNN и LNG, то измерения могут быть объединены различными путями для обеспечения различных характеристик. Определение характеристик с использованием измерений от детекторов SNN, SNG, LNN и LNG раскрыты в находящихся одновременно на рассмотрении патентного ведомства заявках на выдачу патента (номер агента Gowlings: 08922995US и 08922994US), содержание которых ссылкой включено в настоящий документ.

На фиг. 13 представлен способ осуществления направленной навигации с использованием источника нейтронов. Способ может быть обеспечен посредством объединения функциональных средств 1244 управления буровым долотом и функциональных средств 1242 основанных на использовании нейтронов направленных измерений. Способ 1300 начинается с получения измерительной информации от скважинного измерительного устройства (1302). Полученная измерительная информация включает в себя измерения, осуществленные основанным на использовании нейтронов детектором, и показатель относительного направления основанного на использовании нейтронов детектора измерительного устройства. После получения измерительной информации определяют (1304) характеристику формации в радиальном направлении вокруг ствола скважины. Радиальное направление определенной характеристики формации базируется на направлении основанного на использовании нейтронов детектора, связанного с указанными измерениями.

Способ 1300 может отображать информацию об определенной характеристике формации и радиальном направлении (1306). Информация о характеристике формации может быть отображена сразу после определения, или характеристики формации могут быть определены в нескольких направлениях и совместно отображены. Способ включает вращение измерительного устройства (1308) в стволе скважины для того, чтобы осуществить измерения в различных относительных направлениях. Новые измерения и связанное с ним относительное направление могут быть получены (1302) и использованы для определения характеристик формаций, связанных с указанным направлением.

Отображенные радиальные данные характеристик формаций могут быть использованы при определении желательного направления пути бурения (1310). Определение направления пути бурения может быть осуществлено автоматически для того, чтобы направить путь бурения к областям с характеристиками формации, которые считают наиболее предпочтительными, или вручную, позволяя оператору определить желаемый путь бурения. После определения желаемого пути бурения, ориентация бурового долота может быть изменена (1312) таким образом, чтобы ствол скважины следовал по определенному пути бурения.

В приведенном выше описании был раскрыт прибор, который способен осуществлять направленные измерения в стволе скважины на основании информации, генерируемой источником нейтронов. Направленные измерения могут быть использованы для осуществления геонавигации при бурении скважины. Направленные измерения могут также быть полезны в существующих стволах скважины для обнаружения текучей среды и аномалий формации или определения характеристик формации. Кроме того, направленные измерения могут обеспечить способность определять распространение скважины. Хотя в описании особое внимание было уделено направленным измерениям, выполненным в стволе скважины, предполагают, что эти же технологии могут быть использованы для осуществления измерений за пределами ствола скважины. Измерения могут обеспечить способность определять с поверхности элементы и признаки физические элементы или признаки, находящиеся под землей или в шахтах. Измерительный прибор был описан при помощи примеров. Следует понимать, что компоненты одного примера могут быть включены в состав другого примера. Кроме того, принимая во внимания раскрытые в настоящем документе идеи, специалисту в данной области техники будут очевидны изменения и модификации, которые не раскрыты в настоящем документе.

1. Устройство для осуществления пространственно-направленных измерений формации радиально на 360° вокруг ствола скважины для использования в направленном бурении, содержащее:

кожух, характеризующийся размерами для размещения в стволе скважины, а также наличием продольной оси вращения;

неэкранированный источник нейтронов, расположенный внутри кожуха; и основанный на использовании нейтронов неэкранированный детектор, указанный неэкранированный детектор, основанный на использовании нейтронов, расположен со смещением от и ассиметрично вдоль продольной оси вращения кожуха относительно источника нейтронов,

при этом устройство выполнено с возможностью вращаться таким образом, что при вращении, когда проходит в скважину, получают пространственно-направленные измерения формации радиально на 360° вокруг ствола скважины, когда указанное устройство поворачивается на 360° относительно продольной оси вращения в стволе скважины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник нейтронов расположен вдоль продольной оси вращения, а основанный на использовании нейтронов детектор смещен от продольной оси вращения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основанный на использовании нейтронов детектор расположен вдоль продольной оси вращения, а источник нейтронов смещен от продольной оси вращения.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник нейтронов смещен от продольной оси вращения, и основанный на использовании нейтронов детектор также смещен от продольной оси вращения.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основанный на использовании нейтронов детектор является одним из

детектора надтепловых нейтронов; детектора тепловых нейтронов; и детектора гамма-излучения.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй основанный на использовании нейтронов детектор, расположенный внутри кожуха.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что первый детектор нейтронов представляет собой детектор тепловых нейтронов, а второй детектор нейтронов представляет собой детектор гамма-излучения.

8. Устройство по п. 1, содержащее:

ближний детектор тепловых нейтронов, расположенный на первом расстоянии в продольном направлении от источника нейтронов;

дальний детектор тепловых нейтронов, расположенный на втором расстоянии, которое превышает первое расстояние, в продольном направлении от источника нейтронов;

ближний детектор гамма-излучения, расположенный на третьем расстоянии в продольном направлении от источника нейтронов; и

дальний детектор гамма-излучения, расположенный на дополнительном расстоянии, которое превышает третье расстояние, в продольном направлении от источника нейтронов.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один из источника нейтронов и детектора нейтронов выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси вращения относительно ствола скважины.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство определения направления, которое способно определять угловое положение основанного на использовании нейтронов детектора относительно источника нейтронов.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит интерфейс связи, предназначенный для передачи измерений основанного на использовании нейтронов детектора в вычислительное устройство, расположенное за пределами скважины.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что интерфейс связи дополнительно передает угловое положение основанного на использовании нейтронов детектора относительно источника нейтронов.

13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что интерфейс связи обеспечивает связь в режиме реального времени или в режиме, близком к реальному времени, с вычислительным устройством, расположенным за пределами скважины.

14. Способ определения информации в радиальном направлении о характеристиках формации, окружающей на 360° ствол скважины, причем способ включает:

вращение скважинного измерительного устройства в стволе скважины относительно продольной оси вращения измерительного устройства, при этом измерительное устройство содержит неэкранированный источник нейтронов и основанный на использовании нейтронов неэкранированный детектор, где по меньшей мере один из источника нейтронов и основанного на использовании нейтронов детектора смещен от продольной оси вращения измерительного устройства;

получение информации о пространственно-направленных измерениях от измерительного устройства, информация об измерениях содержит измерения, выполненные основанным на использовании нейтронов детектором, когда измерительное устройство вращается в стволе скважины, и определяет относительное направление источника нейтронов и основанного на использовании нейтронов детектора относительно ствола скважины при выполнении соответствующих измерений, обеспечивая пространственно-направленные измерения формации радиально на 360° вокруг ствола скважины, тогда как измерительное устройство поворачивается на 360° со стволом скважины; и

определение характеристики формации в радиальном направлении вокруг ствола скважины, причем характеристику формации определяют на основании полученной информации о результатах измерений, радиальное направление определяют исходя из информации об относительном направлении.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что скважинное измерительное устройство содержит несколько детекторов нейтронов, установленных ассиметрично относительно источника нейтронов.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что несколько детекторов нейтронов включают в себя:

по меньшей мере один детектор тепловых нейтронов; по меньшей мере один детектор гамма-излучения.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что несколько детекторов нейтронов включают в себя:

ближний детектор тепловых нейтронов; дальний детектор тепловых нейтронов; ближний детектор гамма-излучения; и дальний детектор гамма-излучения.

18. Способ по п. 14, дополнительно содержащий помещение измерительного устройства в ствол скважины.