CN1122860C - 随钻测量用的基于加速器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

随钻测量用的装置包括一个14MeV的中子加速器、一个近距中子探测器、一个或多个中距的超热中子探测器以及一个远距的第三辐射探测器，所述近距中子探测器主要对源中子敏感，其输出正比于源强度，所述一个或多个中距的超热中子探测器偏靠着钻铤壁并且主要对地层的氢的浓度灵敏，所述第三远距辐射探测器可以是γ射线或中子探测器且主要对地层密度灵敏。用上述近距探测器输出规范的上述中距的和远距探测器的输出被结合在一起，以提供孔隙度、密度和岩性的测量结果并检测气体。还可在中距处配置一个热中子探测器和/或一个γ射线探测器，以便提供另外的感兴趣的信息，例如，下井仪与井壁之间间隙的测量结果及地层组份的频谱分析。下井仪的输出与测量装置在钻孔中的倾角或方位角有关。

Description

随钻测量用的基于加速器的方法和装置

本发明一般来说涉及在钻穿地下地层的同时研究该地下地层，更具体地说，涉及钻井时基于中子加速器进行测量的方法和装置。就其最广泛的意义来说，所公开的某些技术也还涉及电缆测井。

借助中子通量随距中子源的距离衰减来测量一个井眼四周的地下地层的孔隙度在电缆测井领域中是众所周知的。特别是超热测井下井仪对地层中的氢密度或浓度敏感。由于一般是在地层流体中发现氢，氢浓度与地层的孔隙空间的量有关，因而就与地层的孔隙度有关。不过，对于给定的孔隙度，岩石骨架密度的增加(保持相同的骨架化学组份)可导致超热中子探测器计数率(例如，对于60cm的源至探测器间距)减少。对于给定的岩石骨架密度如果增加孔隙度时，这种计数率变化所呈现的方向相同。这样，中子孔隙度测量本身不能清楚地确定未知组份地层的孔隙度。

因此，在电缆测井中，传统上通过使一个基于γ射线康普顿散射的第二下井仪与中子孔隙度下井仪下降相同的深度间隔，对所感兴趣的地层的体密度进行测量。岩石骨架密度的增加也会导致密度下井仪中探测器计数率的减少。另一方面，对于给定的岩石骨架密度，如果孔隙度增加，则密度下井仪探测器计数率增加。这样，岩石骨架密度和孔隙度的变化对中子孔隙度和康普顿散射密度下井仪有一些互补的效应，可通过绘制这两种下井仪的响应曲线的交会图来抵消这些效应。利用这样的一些交会图，可解决物理问题，并可确定岩石骨架密度和组份(岩性学)的变化。因为基岩孔隙空间中含有气体也影响中子孔隙度和密度下井仪的响应曲线，因而对于某些情况，就可以借助中子/密度交会图来检测气体的存在。

尽管这样的一些电缆孔隙度和密度测井下井仪提供了许多有关地下地层的有用信息，但只有在钻孔完成并去除钻具组之后才能使用它们，这可能在钻孔完成后数小时或甚至数天。结果，地层和钻孔可能发生了变化，这变化掩蔽或掩盖了重要的所研究的岩石物理性质。例如，洗井液浸入地层和在钻孔壁上形成泥饼这两者都会对许多测井测量产生副作用，这许多测井测量包括γ射线体积密度测量和中子孔隙度测量。这两种测量也受到泥饼密度的影响，以及受到可能会出现的钻孔壁的脱落或坍塌的影响。电缆测井仪的另外一些缺点包括钻井时间和花费上的损失以及升降钻具组的延时，升降钻具组是为了把电缆测井仪下降到钻孔内。因此，如果在进行钻井操作本身同时能进行密度和中子孔隙度测量，这会是相当有益的。

已有技术中，已作出一些努力来提供在钻进同时的核(γ射线密度或中子孔隙度)地层评价，例如，见美国专利No.4,596,926、No.4,698,501、No.4,705,944、No.4,879,463以及No.4,814,609。不过，传统的体积密度测量技术需要γ射线源，通常为一个¹³⁷CS同位源。传统的中子孔隙度测量技术同样采用一个同位素化学源，例如AmBe。从辐射安全性来看，这样的一些放射性化学源具有一些明显的缺点。特别是在涉及应用到随钻测量的情况时，在此，操作条件使得放射源更可能丢失，并且它的找回比传统电缆测井操作更困难。的确，前述的那些有关随钻测量的已有技术的专利相当部分集中于防止丢失或如果丢失，恢复这样的化学源上。

尽管最近已开发了基于加速器的电缆孔隙度下井仪，例如，见Albals等人的美国专利No.4,760,252，这样的一些下井仪并不能直接转用于随钻测量，原因在于在这些应用中存在的大量钢和洗井液对下井仪响应曲线的干扰效应。况且，对于密度测井，目前没有取代¹³⁷CSγ射线源的实用且经济的基于加速器的另外装置。因此，就需要一种钻井时测量用的采用加速器的下井仪，这种下井仪不需要传统的中子孔隙度和体积密度下井仪的放射性化学源。

根据本发明的一个方面，提供了随钻测量用的装置，用于测量一个钻孔周围的地层性质，这个钻孔是由一个钻具组端部的钻头钻出的，该装置包括一个在上述钻具组中的细长的管状钻铤和一个在该钻铤中用于对周围地层辐射高能中子的中子加速器，其特征在于一条洗井液通道位于上述钻铤中该钻铤纵轴的一侧，一个在所述钻铤中沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器第一源距处的第一中子探测器，这个第一中子探测器具有主要是正比于加速器中子能量的输出，上述加速器和第一探测器偏置于所述钻铤纵轴的另一侧并且实际上彼此成一条直线同轴排列，一个第二中子探测器，其背面屏蔽了从钻孔入射到其上的中子并且紧靠上述钻铤的内壁位于沿该钻铤的长度方向上距所述加速器较远的第二源距处，这个第二中子探测器对超热中子敏感并且具有主要对周围地层的氢的浓度灵敏而只是次要地对该周围地层密度敏感的输出，一个在上述钻铤中沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器还要更远的第三源距处的第三辐射探测器，这个第三探测器实际上与上述加速器和第一探测器成一条直线同轴排列并具有一个输出，该输出比上述第二探测器对周围地层密度更灵敏对该周围地层的氢浓度更不灵敏，在上述钻铤中确定一种紧邻上述第二中子探测器的中子窗口的装置，以及用于把上述第一、第二和第三探测器的各自的输出记录为钻孔深度的函数的装置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于测量一个钻孔周围地层性质的方法，这个钻孔是由一个钻具组的端部的钻头钻出的，这种方法包括在上述钻具组中配置一个细长的管状钻铤，该方法的特征在于：

在上述钻铤中在该钻铤的纵轴的一侧安置一条洗井液通道；

用在所述钻铤中的中子加速器所发出的高能中子照射上述地层；

用在上述钻铤中沿该钻铤长度方向位于距上述加速器第一源距处的一个第一中子探测器检测辐射，从而使得这个第一中子探测器具有主要正比于加速器中子通量的输出，上述加速器和第一探测器偏置于所述钻铤的另一侧并大致上彼此成一条直线同轴排列；

用一个第二中子探测器检测辐射，这个第二中子探测器，其背面屏蔽从上述钻孔入射到其上的中子，并紧靠上述钻铤的内壁沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器更远的第二源距处，从而使得这种第二中子探测器对超热中子敏感并且具有主要对周围地层的氢的浓度灵敏而只是次要地对该周围地层的密度灵敏的输出；

用一个第三辐射探测器检测辐射，这个第三辐射探测器在上述钻铤中沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器还要更远的第三源距处，从而使得这个第三探测器具有比上述第二探测器对周围地层的密度更灵敏而对该周围地层的氢的浓度更不灵敏的输出，这个第三探测器大致上与上述加速器和第一探测器同轴地排成一条直线；

在上述钻铤中紧邻上述第二中子探测器处提供了一种中子窗口；

把上述第一、第二和第三探测器的输出结合起来，以导出上述周围地层的孔隙度、密度和/或岩性的指示，以及

把上述第一、第二和第三探测器的输出记录为在上述钻孔中的钻孔深度和方位角两者中的至少一个的函数。

对于源强度的波动，一般用近距探测器的输出来规范其它探测器的输出。以一种构思上类似于传统的中子孔隙度-密度交会图的方式把规范的中距的超热中子探测器的输出和规范的远距的探测器的输出结合起来，以便得到地层孔隙度、体积密度、及岩性的测量结果和/或检测气体。进行测量并把测量结果记录为在钻孔中的钻孔深度和倾角或方位角的函数。

近距探测器最好是一个由一种中子减速-吸收材料屏蔽的超热中子探测器，这种中子减速-吸收材料大致上对源自地层的中子不敏感。另一种选择是，它可以包括一个MeV中子探测器，例如，一个⁴He探测器或一个液体闪烁器中子探测器，这些探测器由一种高Z材料屏蔽。中距的超热中子探测器可以是许多构成一个探测器组合的类似的间隔开的探测器中的一个。这个组合可包括许多沿钻铤圆周内壁间隔开的类似的超热探测器，以便提高水平分辨率。在这个组合中还可包括一个或多个γ射线探测器和/或热中子探测器。如果愿意的话，为了改进垂直分辨率，可把这些探测器组合在垂直向上分隔开。远距的探测器最好是一种γ射线探测器，但也可包括一种高能(＞0.5MeV)中子探测器，例如，一个⁴He或液体闪烁器计数器。另一种选择是，可配置一个远距γ射线和一个远距中子探测器。在此，采用了一个液体闪烁器，可被构造用来检测中子和γ射线。

最好在探测器组合中的每个中子探测器的对面配置一个透过中子的窗口，以便进一步提高对地层的灵敏度并增加研究深度。中子窗口的优选构成包括一种低散射截面的材料，例如，被铠装在硼或其它吸收中子的材料中的钛，以便使漏进钻铤中的中子最少。还可配置一个外部中子吸收层，以便进一步减少流进钻铤中的中子。这个外部中子吸收层在中子窗口的位置形成有一些开口。作为另一种可供选择的中子窗口的构造，可在钻铤中配置一些吸收中子的材料的横向和/或纵向层，以便衰减其中的纵向和/或沿圆周的中子流。

除了上述交会图技术外，如果愿意的话，也可分开处理中距探测器的输出和远距探测器的输出，以便获得其它感兴趣的信息。例如，可从由那些(个)超热中子探测器产生的减速时间曲线导出孔隙度和下井仪与井壁之间间隙的测量结果，并可从在组合γ射线探测器中所记录的γ射线能谱的频谱分析获得地层化学组份的资料。另一种选择是，这样的一种频谱分析可以基于检测γ射线的远距探测器的输出。热中子探测器的输出在确定地层宏观俘获截面和在测量下井仪与井壁之间的间隙时是有用的。从γ射线探测器的输出也可以确定热中子宏观俘获截面或者与其相关的热中子衰减时间恒量。这些附加的测量结果本身就是有用的，或者在解释基本交会图图像时是有用的。

本发明的目的、特征及优点，从下面那些代表性的实施例描述中，并参照附图可进一步得到了解，在附图中：

图1是部分以方框图形式示出的、按照本发明构造的随钻测量用装置的一个实施例的一张示意图，此装置包括一个悬挂于一个旋转钻井平台上的钻具组；

图2是部分以示意性的形式示出的、包括中子加速器和相关的辐射探测器在内的井下测量组件的一个实施例的一张垂直剖面图；

图3是沿图2的3-3线所取的水平剖面图，此图显示了近距探测器相对于钻铤的优选位置；

图4是沿图2的4-4线所取的水平剖面图，此图显示了组合探测器和相关的中子窗口相对于钻铤的一种构造；

图5是一张局部水平剖面图，此图示出了一个组合超热中子探测器和与其相关的中子窗口的另一种结构；

图6是井下测量组件的另一个实施例的一张局部垂直剖面图，此图显示了中子窗口另一个可供选择的实施例；

图7是沿图6的7-7线所取的一张外部视图，此图显示了图6的中子窗口的外部结构；

图8是一张类似于图7的外部视图，此图显示了中子窗口的另一个

实施例的外部结构；

图9是由图2的采用加速器的下井仪的蒙特卡罗模型所确定的、一个近距超热中子探测器的反向经规范的通量与一个远距γ射线或中子探测器经规范的反向通量的函数关系曲线的交会图；

图10是由图2的采用加速器的下井仪的蒙特卡罗模型所确定的、含氢指数与反向通量的函数关系曲线的交会图，这交会图是对于几种标准岩性的、不同的中子和γ射线能量和源/探测器间距的交会图；

图11是对于几种标准岩性的、反向ev或MeV的减速长度与一个远距探测器的反向ev和Mev中子通量的函数关系曲线的交会图；

图12是含氢指数与中子减速长度的函数关系曲线的一张交会图，这张交会图是在三种标准岩性下，ev和MeV这两个中子能量范围内的交会图；

图13是在三种标准岩性下、一个组合探测器的经规范的反向超热中子通量与一个远距探测器经规范的反向MeV通量的函数关系曲线的交会图；

图14A是作为多孔砂岩化学元素和含氢指数的函数的超热中子密度一减速长度灵敏度比的曲面图；

图14B是作为多孔砂岩化学元素和含氢指数的函数的MeV中子密度一减速长度灵敏度比的曲面图；

图15A是图14A曲面图的投影图；

图15B是图14B曲面图的投影图；及

图16是对于局部气体饱和地层和局部带有粘土的高岭土地层的含氢指数与平均密度-减速长度灵敏度比的函数关系曲线的交会图。

本发明在应用于随钻测量领域中特别有用，附图中的图1示出了这样的一种应用。就这方面来说，除非另外特别指定，此处所用的随钻测量(也叫作随钻进行测量和随钻测井)打算包括，在钻井、停歇和/或起降期间，以钻头和至少一些钻具组在地下钻孔里记录数据和/或进行测量。不过，应该了解，本发明的某些方面也应用于电缆测井。

如图1所示，一个平台和钻井架10定位在用旋转钻井法在地下所形成的一个钻孔12的上方。一个钻具组14悬挂在该钻孔内，该钻具组包括钻具组14下端的一个钻头16。用一个旋转工作台18(由未示出的装置带动)来转动钻具组14和连在其上的钻头16，旋转工作台18在该钻具组的上端接合一个方钻杆20。上述钻具组挂在连接到一个转动滑轮(未示出)上的钩子22上。这个方钻杆通过一个转头24连接到上述钩子上，转头24使得上述钻具组能相对于所述钩子旋转。另一方面，钻具组14和钻头16可以用一个“顶部驱动”型的钻井设备转离地面。

洗井液或泥浆26容纳在邻近井架10的一个泥浆坑28中。泵30把洗井井液经由转头24中的一个口泵进钻具组，以便穿过钻具组14的中心向下流动(如流动箭头32所示)。洗井液经由钻头16中的一些口排出钻具组，然后，在该钻具组外部和钻孔周边之间的环形间隙中向上循环，就如流动箭头34所示的那样。由此，洗井液润滑钻头并把地层岩屑运送到地表。洗井液在地表返回泥浆坑28，用于再循环。如果愿意的话，也可采用具有一个泥浆电机的定向钻井机组(未示出)，该泥浆电机具有一个弯曲的外壳或偏心接头。

一个井底装置(一般用参考标号36标明)最好装在钻具组14中钻头16附近，这个井底装置包括一些部件，用于进行测量、处理和存储信息、以及和地面通信。该井底装置最好位于钻头16的几个钻铤段内。在图1所示的井底装置中，示出了一个钻铤稳定器部分38直接位于钻头16的上方，紧随其上是一个钻铤部分40、另一个钻铤稳定器部分42和另一个钻铤部分44。这种钻铤和钻铤稳定器的安置方式只是说明性的，当然也可采用其它的安置方式。需要或想要钻铤稳定器这一点取决于钻井条件。在图1所示的实施例中，井下测量部件的那些组件最好位于钻铤稳定器38上方的钻铤部分40中。如果愿意的话，这样的一些组件可以位于更靠近或更远离钻头16的位置，例如，或者是在钻铤稳定器38或42中，或者是在钻铤部分44中。

井底装置36还包括一个遥测装置(未示出)，用于与地面的数据和控制通信。这样的装置可以是任何合适类型的装置，例如，如美国专利No.5,235,285中所公开的泥浆脉冲(压力或声学)遥测系统，该系统接收来自数据测量传感器的输出信号，并把代表这种输出的编码信号传输到地面，在地面检测该信号，在接收器子系统46中对该信号解码，并把该信号送给信息处理系统48和/或记录器50。信息处理系统48可包含任何合适的程控数字或模拟计算机，而记录器50最好包括一个传统的图形记录器，用于把普通的视测和/或磁测数据记录为钻孔深度的函数。还可配置一个地面发送器子系统，用于建立与井底装置36的向下通信，例如，就如同前述美国专利No.5,235,285所公开的那样。

井底装置36最好还包括通常的采集和处理电子设备(未示出)，这采集和处理电子设备包括一个微机系统(附带有存储器、时钟和定时电路及接口电路)，这个微机系统能够定时操作加速器和数据测量传感器、存储来自测量传感器的数据、处理数据和存储结果、并把想要的任何部分的数据耦合给遥测组件，用于传输给地面。或者(可选择的另一种是)把数据存储在井下，并在移出钻具组时在地面恢复出来。美国专利No.4,972,082和No.5,051,581都公开了用于这些目的井下电路系统。为便于在测量部件、数据采集和处理部件以及数据遥测部件相互之间的电路连接和信号传输，最好把这些组件在钻具组中彼此相邻定位。对于不能做到这一点的情况，可采用前述美国专利No.5,235,285的数据通信系统，该系统提供了局部短距离井下通信和井下至地面的通信。可用电池，或者就像在现有技术中众所周知的那样，用一个由洗井液提供动力的井下涡轮发电机，给井下电子设备提供电力。

图2至图4示出了井底测量部件的一个优选的实施例，此处，示出了围绕不锈钢下井仪机架54的钻铤部分40。钻铤可以是任何合适的尺寸，例如，具有8″的外径和5″的内径。从图3和图4可最清楚地看出，一个纵向延伸的泥浆通道56位于机架54纵轴方向的一侧，该泥浆通道用于穿过钻具组向下运送洗井液。一个加速器58、与其相关的控制和高压电子装置60及一个同轴对齐的近距探测器62偏置机架54的另一侧。该加速器最好是一个现有技术中众所周知的D-T源(14MeV)。

按照本发明，近距探测器62应该主要对加速器的输出灵敏，且地层影响极小。为此目的，探测器62可包括一个超热中子探测器，例如，一个³He比例计数器，这个超热中子探测器的位置靠近加速器，且不插入高密度屏蔽。探测器62的灵敏区包覆在镉或其它高热中子俘获截面的材料(未示出)中，以便提高对超热能级的检测临界。最好是除了毗邻加速器58的那个表面之外，还用一个耦合有中子减速-吸收材料的屏蔽体64覆盖探测器62的所有表面，所述吸收材料的一个例子是分散在环氧胶结料(“B4CE”)(或其它含氢材料)中的碳化硼(或其它1/V类型的吸收体)。美国专利No.4,760,252陈述了用于这样一种近距³He探测器屏蔽体的结构和功能的更详细的资料。

可以选择地，近距探测器62可以是高能探测器，例如，一个⁴He探测器该探测器用钨、重金属或其它高Z屏蔽材料围绕起来，以便将此探测器与地层屏蔽开，并使入射到该探测器上的非来自地层的中子数倍增。这种倍增效应是由于高Z材料的大的((n，2n)及(n，3n))截面，这种高Z材料把14MeV的源中子转化为大致在6MeV以下的两或三个中子，此处⁴He的散射截面大。这样，高Z的屏蔽不仅降低了近距探测器对被地层散射的中子信号的灵敏度，而且它还有效地衰减了沿着下井仪方向的源(14MeV)中子能量。

如下所述，如果把远距中子探测器屏蔽在一种B4CE(或类似的减速-吸收)材料中，可用在B4CE中的氢的减速能力来进一步降低中子的能量，而同时硼的吸收能力用来衰减低能中子能量。屏蔽材料、中子源附近的高Z材料及后面的B4CE(或类似的)材料的排序是至关重要的，因为颠倒的顺序对屏蔽高能中子无效。

不管近距探测器62是一个eV探测器或是一个MeV探测器，该近距探测器的检测能量、位置和屏蔽的组合效果应该达到使得该探测器的输出对地层孔隙度相对不灵敏，而主要是正比于源自加速器的中子通量。那么，可用该近距探测器62的输出，规范其它探测器对于源强度起伏的输出结果。

探测器66a、66b、66c及66d的组合或组合的位置在轴向上毗邻近距探测器62。该组合至少包括一个，最好是包括一个以上的超热中子探测器，并至少包括一个γ射线探测器。可选择包括一个或多个热中子探测器。如图4示意性绘出的那样，有两个超热中子探测器66a和66b、一个热中子探测器66c和一个γ射线探测器66d。如果愿意的话，可配置不同数目的探测器或探测器的组合。

超热中子探测器66a、66b的主要目的是在足够靠近中子源的地方测量地层中的超热中子通量，以便使得对一些较重的地层元素的探测器输出的影响最小，或至少显著地减少这个影响，例如，氧、硅、碳、钙等，这些元素决定了体积密度，并且使得地层中的氢对探测器输出的影响最大，或至少显著地增大了这个影响。这样定位后，超热中子探测器的灵敏度将主要取决于含氢指数，而只受残余的岩性影响。要提高对地层的灵敏度，超热中子探测器66a、66b(它们可以是³He比例计数器)的位置最好紧靠钻铤壁，并且背面被屏蔽，就如同在68a和68b处所示出的那样，以便降低对钻孔内中子的灵敏度。屏蔽材料最好是与前述用于近距探测器62的屏蔽材料相同，即镉包覆物和B4CE。如下面更充分地说明的那样，透过中子的窗口70a和70b最好形成在钻铤中，以便进一步提高探测器的灵敏度，并提供更大的研究深度。

如图4所示，超热中子探测器66a、66b以及与之相关的窗口70a、70b最好沿钻铤40的圆周间隔开，用于提高倾角或方位角分辨率。可采用任何所想要的探测器的圆周间隔。尽管示出探测器66a、66b距加速器58具有相同的纵向间距，但可配置处于不同纵向间距的一个或多个另外的探测器，用于提高垂直分辨率。美国专利No.4,760,252和No.4,972,082中更详细地说明了圆周和水平方向上间隔分布的探测器组合、以及关于单个探测器的结构及其屏蔽的进一步细节。如在No.4,972,082号专利中所述的那样，减速时间测量的高立体分辨率，使得能按照特别有意义和价值的本发明进行减速时间方位角测量。应该注意，专利No.4,760,252和No.4,972,082中所述的源/探测器的间距是用于电缆下井仪的。考虑到这样一个事实，即那些探测器穿过钻铤来探测地层，就应该在随钻测量用的下井仪中配置稍微更大的间距。

如在68C处那样热中子探测器66c除了在地层那侧省略了镉包覆，以便使探测器对来自地层的热中子灵敏外，同样可以是类似于超热中子探测器66a、66b那样被屏蔽的一个³He比例计数器。一个透过中子的窗口70c配置在毗邻热中子探测器66c的钻铤44中。可按需要配置另外一些热中子探测器，以便获得所希望的水平和/或垂直分辨率。可以如美国专利No.4,760,252相关部分中所述的那样，处理来自一(些)热中子探测器66c的输出信号，以便导出热中子孔隙度的测量结果，和/或按照美国专利No.5,235,185所公开的内容，得出地层Σ和下井仪与井壁之间间隙的测量结果。

γ射线探测器66d可包括任何合适类型的探测器，例如，NaI、BGO、CsI、蒽、等等，但最好是美国专利No.4,647,781和No.4,883,956中所公开的铈激发原硅酸钆(GSO)探测器。如在这些专利中所公开的那样，GSO探测器最好用硼包围，以减少热中子和超热中子对该探测器灵敏度的影响。还可把钨或其它高密度的屏蔽物质(未示出)放在加速器58和GSO探测器之间，以减少入射到该探测器的高能中子的通量。

尽管没有示出，但可以理解，配置合适的定时和控制电路系统，以便以脉冲的模式操作加速器58，并按需要选择性地打开探测器66d，以检测非弹性和/或俘获γ射线。最好使能量检测范围宽一些，例如，从0.1MeV到11MeV。探测器66d的主要目的是提供非弹性和/或俘获γ射线能谱和能量窗口计数率。特别是可对能谱进行谱分析，以得到关于所研究地层的元素组份的信息。Roscoe的美国专利No.5,440,118中说明了用于分析来自γ射线探测器66d的频谱数据以便获得元素光谱及岩性信息的优选技术。

简而言之，按照Roscoe所公开的内容，通过一个最小二乘能谱拟合过程，分析非弹性散射γ射线谱，以便确定假设存在于未知地层中的那些化学元素对其相关元素的贡献，以及对所测得的来自地层的能谱的贡献。校正硅、钙和镁的相对非弹性产额，以便直接了当地估计地层中这些元素的各自的元素浓度，或估计地层中这些元素的体积百分率或相关的岩石类型(例如，砂岩、石灰岩和白云岩)。镁和钙的相对非弹性产额的比率表明了地层的白云岩化的程度。基于硅和/或钙的校正过的非弹性产额，还可确定来自被测量的热中子俘获γ射线谱的元素产额的校正过的估计，由此可导出所涉及地层岩性的进一步信息。

可从超热中子探测器66a、66b的输出导出超热中子减速时间及钻孔壁与下井仪之间隙的测量结果。因为存在于钻铤40和机架54中的大量钢起到长时间存储和吸收中子的作用，所以实际上降低了探测器66a、66b对超热中子减速时间的灵敏度。因此，要在钻进同时测量超热中子减速时间，重要的是相对于钻铤40正确地定位探测器66a、66b，以便配置适当构造的中子窗口70a、70b并适当地在背面屏蔽探测器66a、66b。如图4所示，且如上所述，探测器66a、66b的灵敏区最好安装在紧靠钻铤40的内壁的下井仪机架54中，并直接位于该钻铤中的各自的中子窗口70a、70b的对面。除了面向钻铤的侧面还最好在两端及在所有侧面(用B4CE或类似的东西)屏蔽每个探测器。窗口70a、70b最好是由铠装在硼中的钛或其它高强度低散射截面的材料制成。为了进一步减少中子进入钻铤40，最好在探测器的探测区域内钻铤40的外部包以碳化硼层72，该碳化硼层72有一些与窗口70a、70b的位置相对应的孔洞。模拟和实验数据已表明，从以这种方式定位、屏蔽和开窗口的那些探测器得到的超热中子减速时间曲线对于孔隙度的灵敏度，要大于那些没有窗口或外部硼屏蔽的探测器的结果。

如图5示出的另一个选择，还可以进一步通过把探测器74放在钻铤40本身内来提高探测器的灵敏度，并采用碳化硼背面屏蔽76和如图4所示的具有一些相应孔洞的外部碳化硼层72。这种组合方式，尽管实际可行，但在钻井期间使探测器遭受更大受到损害的危险，而且还要求机械加工钻铤，以形成探测器容座。

如图4所示，作为采用铠装了硼的透过中子的窗口70a、70b的一种可供替代的使用，可通过在超热中子探测器的探测区内的钻铤40中，配置一些硼或其它高吸收截面材料的横向层，来提高超热中子探测器66a、66b的减速时间和计数率灵敏度。图6至图8说明了这一点。图6绘出了偏靠于钻铤壁一侧的超热中子探测器78，并且如图4所示，背面被屏蔽。许多横向碳化硼层80嵌入钻铤壁中，此处，它们起着“活动百叶窗”的作用，以便使得中子能穿过钻铤横向射到探测器，且同时阻止中子沿该钻铤方向流动。图7示出了图6的碳化硼层80的外部结构。图8示出了碳化硼层82的一种可供替代的结构。这种结构用来使在纵向和圆周方向上穿过上述钻铤的中子流最小且不会干扰横向流动。因此，碳化硼层80和82对于超热中子和热中子探测器来说，实质上起着中子窗口的作用。

业已发现，采用图6至图8所示的中子吸收层，对于减少在低散射截面材料(例如钛)中的中子流特别重要，随钻测量的情况中，这种材料作为钻铤材料正是所想要的，这是因为它对于中子的相对透明度，但更是因为它的低密度，这种材料不会衰减平行或沿钻铤圆周的中子传送成份而达到与钢相同的程度。为使进一步有效，还可在下井仪机架54中、在中子探测器的加速器一侧或两侧上，配有一些碳化硼层。

再次参照图2所示的整个测量部件结构，一个远距探测器84位于探测器组合66a至66d的下端，而中间插入了一个中子屏蔽体86。探测器84和屏蔽体86最好与加速器58同轴校准。按照本发明，相对中子源而言，可选择地配置一远距探测器84，以便对地层中穿透比较远距离的MeV能量的中子(或者最好是，MeV的中子诱发的γ射线)敏感。由于MeV的中子的运动降低了对于地层氢含量的灵敏度，并提高了地层较重元素的灵敏度，与KeV-eV能量的中子相比，探测器84的响应曲线将受到地层体积密度的强烈影响，这是因为密度和骨架类型、岩层岩性之间的密切关系。

如前述美国专利No.4,647,782和No.4,883,956中所说明的那样，探测器84最好包括一个GSOγ射线探测器，尽管只要能获得可接受的计数率统计数据和参量分辨率，可采用任何适合的类型，例如，蒽、NaI、BGO、CsI、等等。优选的能量检测范围是从0.1MeV到11MeV。或者选择采用对MeV范围(例如，大于0.5MeV)中子敏感的中子探测器。优选的中子探测器是⁴He类型或液体闪烁器类型的探测器。

对于采用γ射线探测器作为远距探测器84的情况，插入的屏蔽体86最好是B4CE或类似的中子减速-吸收材料。如果采用MeV中子探测器，此处除了近距探测器62也是一种用高Z材料屏蔽的⁴He探测器(或其它MeV探测器)外，屏蔽体86最好是一种高Z材料，例如钨。对于后一种情况，屏蔽体86也应该是B4CE或类似的材料，以便充分利用前述围绕近距探测器62的高Z屏蔽材料64的中子减速效应的优点。

尽管远距探测器84可以是一个γ射线探测器或是一个MeV中子探测器，但最好是γ射线探测器，因为在某些情况，γ射线比中子对气体有更好的灵敏度，因此，有助于确定含有气体的地层。就像上面关于γ射线探测器组合66d所作的说明，采用γ射线探测器也使得能进行频谱分析，以便获得地层的元素组份和岩性的信息。可在探测器组合66d和远距探测器84这两者处或只是其中之一处进行这样的频谱分析。可另外采用任何一个(或两个)γ射线探测器的输出来导出对于热中子的地层宏观俘获截面(Σ)或与其相关的热粒子(lieutron)衰变时间恒量(τ)。可用任何已知的技术导出Σ或τ。在此远距探测器84也是一个γ射线探测器如果间距或其它一些条件限定的话，可省略γ射线探测器组合。

如果想要的话，可配置第二个远距探测器(未示出)。如果这样，它最好紧靠探测器84并与之同轴位。如果探测器84是一个γ射线探测器，这第二个远距探测器最好是一个中子探测器，反之亦然。

尽管没有专门示出，应该了解，上述那些探测器包括产生代表所检测辐射的输出信号所需要的所有放大、脉冲整形、电源和其它电路系统。现有技术中可知所有这样的电路系统。

可以以各种方法处理来自安装在下井仪中的几个探测器的信号，以便获得所想要的岩石物理资料。如所述的那样，近距探测器62的输出正比于中子源的输出，且主要用于规范其它探测器相对源强度起伏的输出信号。

组合超热中子探测器66a、66b的输出对含氢指数最敏感，因而也就是对孔隙度最敏感，并且按照本发明的一个特点，该输出与远距探测器84的输出结果使用，以导出所涉及的地层密度、孔隙度及岩性的资料，并检测气体。基本的信号处理解法使用经近距探测器62的计数率N1规范后的中子通量A1(来自探测器66a或66b的计数率)，也就是说(A1/N1)^-1，和类似的分别来自远距γ射线或MeV中子探测器84的规范后的反向计数率(F1g/N1)^-1或(F1n1N1)^-1。如同将要说明的那样，这些值可用于几种方法，以便确定地层的含氢指数HI、减速长度(eV或MeV)及岩层岩性。作为本发明的另一个特征，可用减速长度和含氢指数来导出地层的体积密度。最后，可通过从近距γ射线能谱探测器66d所得到的岩性资料，提高体积的测定。

反向规范通量最简单用途是绘出它们的交会图，图9示出了这样的一个交会图，其中，反向通量是从图2所画出的采用加速器的蒙特卡罗模型试验得到的。图9的交会图在构思上类似于传统上用于电缆测井的中子密度交会图，该电缆测井根据标准体积密度和中子孔隙度下井仪的响应曲线确定岩性和孔隙度。例如，见Ellis的“用于地球科学家的测井”(Elsevier，1987，pp.420-421)。图9交会图的解释同样类似于传统的中子密度交会图。图9中绘出了反向计数率，从而就如同在传统的中子密度交会图中的那样，较高的孔隙度会出现在图的右上角，而较低的孔隙度出现在图的下角。

如图9所示，曲线88、90、92代表了标准砂岩、石灰岩和白云岩岩性的孔隙趋势。可在这个交会图上画一个测量点94(F1gm，A1m)，而且可像在中子-密度交会图中那样，可内插它的孔隙度和岩性，如由虚线96所代表的。含页岩岩性及含气体的地层如同它们在中子-密度交会图中那样，在图9的交会图内，相对位置不变，尽管它们的精确位置可能系统地不同于在中子-密度交会图中的位置。

本发明的一个实施例的解决方案中，探测器组合和远距探测器规范后的反向通量用于导出含氢指数HI以及eV减速长度Lepi或MeV减速长度Lh。特别地，这种方法以超热中子探测器组合66a、66b的输出和远距的MeV探测器84(γ射线的或中子的)的输出为基础，该组合超热中子探测器66a、66b对含氢指数最敏感，但存在残余岩性的影响，该远距MeV探测器84(γ射线或中子)对含氢指数以及MeV或eV减速长度敏感。用近距探测器62的输出来规范这两种探测器的计数率信号。为了达到这种方法的这些目的，可选择对eV范围中子敏感的远距探测器84，但最好是MeV范围中子，因为它们对含氢指数不怎么敏感。因此，与使用eV通量相比使用MeV能量的含氢指数测量结果的精度是不重要的。

图10和图11示出一个组合超热中子探测器、一些远距的eV和Mev中子探测器以及一个用于图2中所于的采用加速器的下井仪的蒙特卡罗模拟模型的MeV远距γ射线探测器的响应曲线。该蒙特卡罗模拟给出了上述远距γ射线探测器中的非弹性γ射线的通量。下面，所指的γ射线通量的意思是非弹性γ射线。可通过众所周知的中子加速器脉冲发生技术把这些γ射线与俘获γ射线分开。

图10显示了探测器在大量不同地层中的响应与含氢指数的函数关系曲线。正如可看到的那样，组合超热中子探测器主要对含氢指数响应，因为所有的数据都几乎落在一条几乎没有岩性变化的单独的曲线上。远距的γ射线探测器以及eV和MeV中子探测器显示了相当大的对岩性和密度的依赖性以及对含氢指数的依赖性。

图11画出了计算出的远距探测器eV和MeV中子的反向通量与各自的减速长度的函数关系曲线。这些数据表明，地层减速长度是影响远距中子通量的最重要的变量。蒙特卡罗数据的类似考察表示，eV减速长度是影响远距非弹性γ射线计数的最重要的变量。可以看到，通过结合使用减速长度(Lepi是代表eV慢化长度，Lh代表Mev慢化长度)和合氢指数(HI)可很好地拟合图10和图11中所画出的各个能量。基于模拟程序的结果构造了下述说明性的模型，用于组合超热中子探测器和优选的远距MeV探测器，但如果愿意的话，也可根据实验结果来构造。

组合超热中子探测器模型：

Log(反向组合通量)＝-0.8447(HI²)

+2.0598(HI)-12.8878                               (1)

远距的MeV探测器模型：

Log(反向远距MeV通量)＝35.74*(1/L_h)

+1.159*(HI)＝16.93                                (2)应该知道，为了提供最佳的数据拟合也可采用其它的一些模型。

给定一组组合探测器和远距探测器的通量测量结果，直接解模型方程(4)和(5)，获得含氢指数和反向减速长度的导出值。

下面说明用于导出含氢指数(或孔隙度)和减速长度的另外一些绘制交会图的技术。

一种这样的技术是基于地层组成成份对低于大约1MeV的中子与大于1MeV的中子相比较时的n，p散射截面的实质差别。对于低于大约1MeV的中子，n，p散射截面大，主要归因于氢核的弹性散射。结果，对于具有1MeV或更低初始能量的中子，中子减速长度主要依赖于氢浓度。另一方面，对于大于1MeV的中子，n，p散射截面迅速减少，并变得可与来自诸如氧、硅、钙等较重的骨架元素的弹性散射相比。不过，这些重骨架元素的弹性散射对减速中子到低能中子相对没有影响。骨架元素的非弹性反应(主要是非弹性散射(n，p)和(n，α)反应)对脱离高能区的中子更有效得多。这样，高能中子(14MeV-＞1MeV)的中子减速长度提高了其对岩石骨架密度和化学组份的灵敏度，并且只微弱地依赖于含氢指数(孔隙度)。另一方面，低能(＜1MeV-超热)减速长度主要对氢浓度敏感。

简单的扩散理论表明，沿半径方向，高能中子通量φ_h随距中子源的距离r的增加而减小。如下式 ${\mathrm{\φ}}_h=\frac{S}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{rh}}{L}_h^2}\frac{e^{-\left(\frac{r}{L_h}\right)}}{r}........\left(3\right)$ 这里S是源的强度，Σ_rh是消去1-14MeV能量范围的中子的宏观截面，而L_h是高能减速长度。

给定不同的源/探测器间距r₁和r₂的、大于1MeV的中子通量的两种测量结果，可得到L_h的直接测量结果： $L_h=\frac{(r_1-r_2)}{\ln \left(\frac{r_2{\mathrm{\φ}}_h\left(r_2\right)}{r_1{\mathrm{\φ}}_h\left(r_1\right)}\right)}.........\left(4\right)$ 这里φ_h(r₁)和φ_h(r₂)分别是在距离r₁和r₂处的大于1MeV的中子通量的测量结果。

超热中子通量φ_epi遵守一类扩散理论中类似的定律： ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{epi}}=\frac{S}{4{\mathrm{\π\Σ}}_{\mathrm{rs}}{L}_{\mathrm{epi}}^2}\frac{e^{-\left(\frac{r}{L_{\mathrm{epi}}}\right)}}{r}......\left(5\right)$ 这里∑_rs是消去14MeV到大于超热中子能量范围中子的宏观截面，Lepi是中子从14MeV减速到0.5eV(镉吸收)的长度。

尽管Lepi在一定程度上依赖于骨架，但通量对这些变化的依赖性在2Lepi的源/探测器间距处消失。并且，可使用短源/探测器间距的类似测量结果来规范1MeV的能量测量结果，消去源因子S。这样，用一个超热中子探测器，例如，图2中的探测器66a，和两个间隔开的1MeV的探测器，例如，图2中的探测器62和84，就可进行孔隙度(含氢指数)以及Lepi和/或L_h测量。然后，如图12所示，这些测量结果的交会图可确定孔隙度和骨架类型，并可识别气体。

在一张类似于图9的另一个可供选择的图中，绘制远距MeV探测器(图2中的探测器84)经近距MeV探测器(图2中的探测器62)计数率规范的反向中子计数率相对于2Ls源距超热中子探测器(图2所示的组合探测器66a)经近距探测器计数率规范的反向中子计数率的交会图。图13中示出了这样的一张交会图，代表了一个20cm源距的近距MeV探测器、一个30cm源距的超热中子探测器和一个6cm源距的远距MeV探测器。如其中所示出的那样，三条曲线对应于三种主要的岩石基岩，白云岩(2.87g/cc)、石灰岩(2.71g/cc)和砂岩(2.64g/cc)。如所期望的那样，近距/远距的比和近距/组合的比，分别提供了骨架类型和孔隙组的几乎独立的测量结果。如上述图9那样，解释该交会图，以便得到孔隙度和岩性，并检测气体。

可用所测得的减速长度Lepi或Lh以及所测得的含氢指数HI来导出地层的体积密度。下面说明一种用于此目的方法。美国专利No.5,349,184中说明了一种可供选择的另一种方法。

在下面的讨论中，术语减速长度可指Lepi或Lh；在实际例子中，采用Lepi。对于诸如多孔岩或砂岩这样的标准地层，这些标准地层的减速长度、含氢指数(与孔隙度相同)及体积密度都已知道，计算该标准地层体积密度的微小变化和所得到的它的减速长度的微小变化之间的比值。这个比值叫作密度-减速长度灵敏度比。可在上述的假设下采用这个比值，结果是，通过减速长度的微小变化来计算体积密度的微小变化，这个体积密度的微小变化可附加到所述标准地层的体积密度上，以便确定所测量地层的体积密度。由于本发明测量减速长度和含氢指数，可从所测得的一个未知地层的减速长度和标准多孔地层的减速长度计算减速长度的差，该标准多孔地层具有与上述未知地层的所测得的含氢指数相同的含氢指数。

通过解析方法或蒙特卡罗方法进行计算已知元素组份地层的减速长度。A.Kreft的“岩石和土壤中中子减速长度的计算”(Nukleonika，Vol.19，145～146，1974)以及“计算中子减速长度多组方法的推广”(核物理和技术学术会议，(Cracow)报告32/1，1972)都说明了一种合适的解析方法。

下面是计算密度-减速长度灵敏度比的一个例子。采用Kreft方法用计算机编码完成，计算一个标准地层的超热中子减速长度，这个标准地层比如说是30pu的石灰岩(含氢指数HI＝0.3；体积密度为2.197g/cc，0.033g/cc的氢；0.228g/cc的碳；1.176g/cc的氧，0.760g/cc的钙)，计算结果为13.27cm。计算像第一个地层那样的一个类似的地层的超热中子减速长度但该类似的地层附加了一种普通的地层元素，例如铝(含氢指数HI＝0.3，体积密度＝2.247g/cc)其计算结果为13.08cm。所得到的两个减速长度之间的差为d Lepi＝-0.19cm。这个差归因于输入密度为0.05g/cc的铝的差别。密度-减速长度灵敏度比是减速长度变化的百分比：-0.19/13.27＝-1.43％除以密度变化的百分比2.27％比值是-0.63。图14A和图14B分别显示了超热和MeV减速长度的这些比值，这些比值是多孔砂岩含氢指数和元素的曲面函数，相对于该多孔砂岩的基本组份，元素的密度改变了。图15A和15B示出了这些曲面的投影。对多孔石灰岩所计算出的多孔灰岩密度-减速长度灵敏度比极为类似于砂岩的密度-减速长度灵敏度比。

可计算与一个标准多孔地层具相同含氢指数的任何地层的平均密度-减速长度灵敏度比。这个比值是每种不同密度元素的灵敏度比的加权平均值。权正比于每种元素的密度差。图16显示了对于两种典型的地层的超热中子比对含氢指数的函数。这些地层是局部气体饱和的地层(0.2g/cc的甲烷取代了水)，或者是高岭石粘土(分子式为Al₄Si₄O₁₈H₈，密度为2.，54g/cc)局部取代标准地层的地层，并且以多孔砂岩为基准对这些地层进行计算。该平均比对是否涉及到气体或粘土是极为不敏感的。这样，对于给定的、所测得的含氢指数，比如说0.30(30pu的孔隙度)，精确到10％的密度-减速长度灵敏度比是-0.63。

密度-减速长度灵敏度比的关键特征是它对引起密度变化的元素不敏感，除非此元素是碳，或者仅仅是对超热减速长度Lepi敏感情况下的钠和氯。这样，对于那些对测井来说是常见的地层，例如上述的那些地层，密度-减速长度灵敏度比是精确已知的。这个比值可应用于计算被测量的地层相对于标准地层(例如，相同含氢指数的多孔砂岩)的减速长度的差的百分比，以便计算该被测量的地层相对于所述标准地层的密度差的百分比。这个差的百分比反过来导出所述被测量的地层的密度。假定上述被测量的地层与所述标准地层在碳(或者是针对超热减速长度的氯和钠)含量方面没有太大的不同，那么，所计算的被测量的地层的体积密度将是精确的。

作为本发明的一个进一步的改进，从r射线能谱所得到的有关地层元素组份的知识可用来改进相应的密度灵敏度比的计算。

因为测量部件沿着钻具组14旋转，因此采取措施，使得在钻井期间下井仪旋转时，上述测量结果作为该下井仪的倾角或方位角的函数。本领域中已有用于此目的各种方法和装置。例如，美国专利No.5,091,644中公开了一种方位角测量系统，在此系统中，钻孔横剖面分为两个或更多扇形区，例如四象限。当下井仪旋转时，测量系统穿过那些钻孔扇形区，每当它穿过一个扇形区的边界时，一个计数器就递增，指向下一扇形区。这使得能按照各个扇形区对数据分门别类，例如，γ射线或中子计数率。当进行测量时，每个探测器横过所述各个扇形区。以这种方式，可在每个深度进行许多的倾角测量或方位角测量。可把单独扇形区的测量结果结合起来，以提供在该浓度平均测量结果，或者，可分开处理它们，例如，就像钻孔条件诸如冲蚀表明的那样，一个或多个是不可靠的。

在申请日期为1994年1月14日、名为“将地层特性作为在一个钻孔内的倾角位置的函数进行测量的随钻测井方法和装置”、且申请号为No.08/183,089、为J.M.Holenka等人所共同拥有的、待审查的美国专利中，公开了用于当下井仪在钻孔内旋转时进行中子孔隙度、体积密度和其它一些测量，并把这些测量与该下井仪的方位角位置联系在一起的改进的方法和装置。测量在固定角距离的扇形区内完成，这些扇形区最好是一些四分之一圆，但数量上可多于或少于四，并且无需是相等的角距离。由随钻测量用的下井仪的向下矢径测量那些扇形区。最好是首先测定参考随钻下井仪横剖面的磁北极矢量与参考该平面的重力向下矢量之间的夹角φ，以导出该向下矢量。为此目的，可正交安置一些磁力仪，以便连续测定角φ。另一种选择是，当停止钻井给钻具组添加钻杆时，使用随钻测量下井仪周期性地进行勘探。Holenka等人所公开的内容可用于有和没有稳定器钻铤的下井仪。

尽管这里通过参照本发明的典型实施例说明并显示了本发明，但本领域熟练的技术人员应该了解，这样的一些实施例在不背离所公开的发明构思的情况下可以改变和改进。

Claims (30)

1.用于测量一个钻孔的周围地层特性的、随钻测量用的装置，该钻孔由一个钻具组(14)的端部的一个钻头(16)钻出，该装置包括一个在钻具组(14)中的细长的管状钻铤(40)和一个在钻铤(40)中的用于向周围地层辐射高能中子的中子加速器(58)；其特征是一条洗井液通道位于上述钻铤中该钻铤纵轴方向的一侧，一个第一中子探测器(62)在钻铤(40)中位于沿钻铤(40)长度方向距上述加速器第一源距处，第一中子探测器(62)具有主要正比于加速器中子能量的输出，上述加速器和第一探测器偏置于上述钻铤纵轴方向的另一侧并大体上彼此成一条直线同轴排列，一种第二中子探测器(66a，66b)，其背面屏蔽了从钻孔入射到其上的中子并紧靠上述钻铤的内壁位于沿该钻铤的长度方向距所述加速器更远的第二源距处，该第二中子探测器主要对超热中子敏感并具有一个输出，这个输出主要对上述周围地层的氢的浓度敏感而只是次要地对该周围地层的密度敏感，一个第三辐射探测器(84)在上述钻铤中沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器还要更远的第三源距处，该第三探测器大体上与上述加速器及第一探测器同轴排列成一条直线并具有一个输出，这个输出比上述第二探测器对所述周围地层的密度更灵敏而对该周围地层的氢的浓度更不灵敏，在钻铤(40)中确定一种中子窗口(70a，70b)的装置，此装置紧邻上述第二中子探测器(66a，66b)，以及用于把上述第一、第二和第三探测器各自的输出记录为钻孔深度的函数的装置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是上述中子窗口(70a，70b)的确定装置包括一个在上述钻铤中的较低散射截面材料的主体。

3.如权利要求2所述的装置，其特征是上述较低散射截面材料的主体由钛构成。

4.如权利要求3所述的装置，其特征是上述钛的主体铠装在硼中。

5.如权利要求2所述的装置，其特征是在第二探测器(66a，66b)的区域中，用一层中子吸收材料围绕钻铤(40)的外表面，而这些中子吸收材料中就在上述较低散射截面材料的主体的位置处形成有一个开口。

6.如权利要求5所述的装置，其特征是上述中子窗口(70a，70b)的确定装置包括许多在上述第二探测器区域中上述钻铤中的中子吸收材料的、间隔分布的横向层。

7.如权利要求2所述的装置，其特征是上述中子窗口(70a，70b)的确定装置还包括在上述第二探测器区域内的上述钻铤中的、沿长度方向延伸的、间隔分布的、许多中子吸收材料层。

8.如权利要求2所述的装置，其特征是第一中子探测器(62)包括一个超热中子探测器，这个超热中子探测器除了面向上述中子加速器的那侧外，其他所有的侧面用中子减速-吸收材料屏蔽。

9.如权利要求2所述的装置，其特征是第一中子探测器(62)包括一个MeV范围的中子探测器，这个MeV范围的中子探测器除了面向上述加速器的那侧外的所有其他侧面用一种高Z材料屏蔽。

10.如权利要求2所述的装置，其特征是第三探测器(84)是一个MeV范围的中子探测器。

11.如权利要求9所述的装置，其特征是MeV范围的中于探测器(62，84)是一种⁴He探测器。

12.如权利要求2所述的装置，其特征是上述第三探测器包括一个γ射线探测器。

13.如权利要求2所述的装置还包括一个γ射线探测器，这个γ射线探测器位于上述第一和第三探测器之间沿上述钻铤的长度方向上的一个中间间距处。

14.如权利要求13所述的装置，其特征是上述γ射线探测器与上述第二探测器沿上述钻铤的长度方向与所述加速器大体上具有相同的距离。

15.如权利要求12所述的装置还包括对上述γ射线探测器的输出进行频谱分析的装置，以便获得关于周围地层的岩性的信息。

16.如权利要求2所述的装置，其特征是在上述第二中子探测器和加速器之间的沿长度方向的间距大体上是低能超热中子减速长度(Lepi)的两部。

17.如权利要求2所述的装置还包括至少一个热中子探测器，这个热中子探测器位于上述第一和第三探测器之间沿上述钻铤的长度方向上的一个中间间距处。

18.如权利要求2所述的装置还包括许多第二中子探测器，这许多第二中子探测器沿长度方向大体上位于上述钻铤中相同的位置并且沿该钻铤圆周间隔开，以便提高倾角分辨率或方位角分辨率。

19.如权利要求2所述的装置，其特征是上述第二探测器位于形成在上述钻铤壁中的一个凹座，并且其背面用一种中子减速-吸收材料屏蔽。

20.如权利要求2所述的装置，其特征是上述第一中子探测器用一种高Z材料来屏蔽源于地层的中子，而上述第二和第三探测器用一种中子减速-吸收材料来屏蔽沿着上述钻铤运动的源中子。

21.一种用于测量钻孔周围地层性质的方法，这个钻孔由一个钻具组的端部的一个钻头钻出，这种方法包括在所述钻具组中配置一个细长的管状钻铤，而这种方法的特征在于：

在上述钻铤中，把一条洗井液通道定位在该钻铤的纵轴的一侧；

用来自上述钻铤中的一个中子加速器的高能中子辐射地层；

用在所述钻铤中沿该钻铤的长度方向距上述加速器第一源距处的一个第一中子探测器检测辐射，从而使这个第一中子探测器具有主要正比于加速器中子通量的输出，所述加速器和第一探测器偏置于钻铤纵轴的另一侧，并且大体上彼此同轴排列成一条直线；

用一种第二中子探测器检测辐射，这个第二中子探测器的背面屏蔽了从上述钻孔入射到其上的中子，并紧靠上述钻铤的内壁沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器更远的第二源距处，从而使得这种第二中子探测器具有对超热中子敏感并且具有主要对周围地层的氢的浓度灵敏而只是次要地对该周围地层的密度灵敏的输出；

用一个第三辐射探测器检测辐射，这个第三辐射探测器在上述钻铤中沿该钻铤的长度方向位于距上述加速器还要更远的第三源距处，从而使得这个第三探测器具有比上述第二探测器对周围地层的密度更灵敏而对该周围地层的氢的浓度更不灵敏的输出，这个第三探测器大体上与上述加速器和第一探测器同轴排列成一条直线；

在上述钻铤中紧邻上述第二中子探测器处提供了一种中子窗口；

把上述第一、第二和第三探测器的输出综合起来，以导出上述周围地层的孔隙度、密度和/或岩性指示值；以及

把上述第一、第二和第三探测器的输出记录为在上述钻孔中的钻孔深度和方位角两者中的至少一个的函数。

22.如权利要求21所述的一种方法，其特征是上述综合步骤包括通过用上述第一探测器的输出规范上述第二和第三探测器的输出以将该第一探测器的输出与所述第二探测器和第三探测器的输出结合起来。

23.如权利要求22所述的一种方法，其特征是上述综合步骤还包括绘出经规范的第二和第三探测器输出的交会图。

24.如权利要求22所述的一种方法，其特征是上述那些绘出的经规范的输出交会图是反向经校正的输出。

25.如权利要求22所述的一种方法，其特征是综合步骤根据一条预先确定的第一经验关系曲线从上述经校正的第二探测器的输出导出含氢指数的值，并且，根据一条预先确定的第二经验关系曲线从上述经规范的第三探测器的输出和所述含氢指数的值导出中子减速长度的值。

26.如权利要求25所述的一种方法，其特征是上述综合步骤还包括结合所述含氢指数的值和所述减速长度的值，以得到周围地层的孔隙度、岩性和/或存在气体的信息。

27.如权利要求22所述的一种方法，其特征是上述第三探测器包括一个中子探测器，而在上述第二探测器和加速器之间的沿长度方向上的间距大体上是低能中子减速长度(Lepi)的两倍，结合所述第一和第三探测器的输出，以导出高能中子减速长度(L_h)或低能中子减速长度(Lepi)的测量结果，把上述第一和第二探测器的输出结合起来以导出含氢指数的测量结果，并且绘出上述L_h或Lepi测量结果与上述含氢指数测量结果的交会图，以便获得周围地层的孔隙度和岩性两者的至少一种的信息。

28.如权利要求22所述的一种方法，其特征是上述第三探测器包括一种中子探测器，而在上述第二探测器和加速器之间沿长度方向上的间距大体上是低能中子减速长度(Lepi)的两倍，用上述第一探测器的输出规范上述第二和第三探测器的输出，绘出经规范的第二和第三探测器输出的交会图，以便提供周围地层中孔隙度、岩性和/或存在气体三者中的至少一种的资料。

29.如权利要求22所述的一种方法，其特征是上述综合步骤包括下述这些步骤：综合上述经规范的第二和第三探测器的输出，以导出周围地层的含氢指数、和高能中子减速长度(L_h)或低能中子减速长度(Lepi)的值，并且根据一条预先确定的关系曲线结合上述含氢指数和L_h或Lepi的值，这条预先确定的关系曲线将L_h或Lepi测量值的变化与已知体积密度、含氢指数及元素组份的标准化地层的体积密度的变化联系了起来，以便得到周围地层体积密度的信息。

30.如权利要求22所述的一种方法，其特征是上述结合步骤包括下述这些步骤：确定周围地层的含氢指数和中子减速长度，确定所述减速长度和大体上具相同含氢指数且已知体积密度的中子减速长度之间的差，并且把中子减速时间差与该标准化地层的密度-减速长度灵敏度比结合起来，以便得到周围地层的体积密度的测量结果。

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