使用多个标准和空间区域的核频谱分析校正

摘要

本发明涉及使用核频谱分析测井仪估测地层情况的方法，所述方法包括将包含中子源和伽马射线探测器的核频谱分析测井仪放置在井眼中且执行多个环境测量。从所述核频谱分析测井仪发射中子从而使得所述中子中的一些从临近所述核频谱分析测井仪的地层中产生伽马射线，所述中子中的一些从所述核频谱分析测井仪之内的元素中产生伽马射线，且所述中子中的一些从钻井泥浆中的元素中产生伽马射线。由发射的中子诱导的伽马射线的能谱可以采用所述测井仪探测且使用包含至少两个子-标准的标准能谱的组合进行分析，其中所述子-标准表示共同元素或元素组且其基于中子相互作用的位置例如中子热化的位置进行区分。

说明书

相关申请

本申请要求2011年5月24日提交的系列号为61/489,292，名称为 “SYSTEMS AND METHODS FOR ENVIRONMENTAL CORRECTIONS IN  NUCLEAR SPECTROSCOPY USING MULTIPLE STANDARDS AND  DIFFERENT SPATIAL REGIONS”的美国临时专利申请的优先权，将该申请 的全部内容通过援引加入的方式纳入本文。

技术领域

本公开宽泛地说涉及核频谱分析（nuclear spectroscopy），更具体而言 涉及估测和确定（account for）环境对核频谱分析结果的影响的系统和方法。

背景技术

当为了获得石油、天然气或其它材料而钻井通过岩石地层或其它地层 时，确定或估测正被钻井通过的地层的类型是有益的。例如，与地层类型 有关的信息可用于更精确地解释其它测井测量，从而估测地层孔隙度、含 水饱和度、净含烃量、以及地层渗透性和产量。其也可用于根据估测的地 层机械特性而作出的钻井决定中。

存在各种尝试确定或估测地层的方法，其中的一个是随钻测井或LWD。 LWD是在挖掘井孔期间、或此后不久通过使用集成到井底钻具组件中的测 井仪测量地层的特性。

LWD的一个已知技术是中子-伽马频谱分析，其使用中子在原子核中产 生激发态，然后所述中子可以通过发射一个或多个伽马射线进行衰减。每 一个同位素的伽马射线具有可以用于区分特定元素（例如氢）的浓度的特 征能谱。结果是，一组同位素的伽马射线提供一组可用于区分相应元素—— 例如氢、氯、铁、硅、钙、硫、钛、铝、钠、镁、锰和镍——的浓度的特 征能谱。

使用中子-伽马频谱分析的一个缺点是在频谱分析测井仪（spectroscopy  tool）中的一个或多个元素可能与地层中的一个或多个元素相同，因而当尝 试确定或估测地层中的元素时，所述测井仪可能实际还探测到由地层以外 的元素——例如工具或钻井泥浆中的元素——产生的伽马射线。就是说， 存在于地层和例如测井仪中的元素的能谱实际上是来自地层的元素的能谱 与来自测井仪的元素的能谱的总和。来自地层以外的能谱部分通常称为背 景能谱。

另一个缺点是地层的环境条件可能因井而异且在特定井之内还可随深 度而变，这可能影响使用LWD中子-伽马频谱分析测量的能谱。不同的地 层环境参数的实例是井眼尺寸、岩石地层密度、井眼流体密度、岩石地层 的含氢指数、岩石地层的中子慢化长度、岩石地层的热中子俘获截面西格 玛、或井眼流体的热中子俘获截面西格玛。

当尝试确定或估测钻井通过的地层的类型时，消除、减少这些缺点中 任一个的影响、或补偿这些缺点中的任一个都将是有益的。

发明内容

本公开描述了用于确定环境对核频谱分析测量的影响的几个不同的方 法、器械、以及系统。

根据本公开的一个实施方案，使用核频谱分析测井仪估测地层情况的 方法包括将包含中子源和伽马射线探测器的核频谱分析测井仪（nuclear  spectroscopy tool）放置在井眼中以及执行多个环境测量。从所述核频谱分 析测井仪发射中子从而使得所述中子中的一些从临近所述核频谱分析测井 仪的地层中产生伽马射线，所述中子中的一些从所述核频谱分析测井仪之 内的元素中产生伽马射线，且所述中子中的一些从钻井泥浆中的元素中产 生伽马射线。由发射的中子诱导的伽马射线的能谱可以采用测井仪探测且 使用包含至少两个子-标准的标准能谱的组合进行分析，其中所述子-标准表 示共同元素或元素组且其基于中子相互作用的位置进行区分，例如中子热 化的位置。可以使用所述分析估测地层情况。

根据本公开的一个实施方案，用于估测地层情况的核频谱分析测井仪 包含这样一种中子源，其将中子发射到临近所述测井仪的地层中从而使得 所述中子中的一些可以从该地层中产生伽马射线，所述中子中的一些可以 从所述核频谱分析测井仪中的元素中产生伽马射线，且所述中子中的一些 可以从钻井泥浆中的元素中产生伽马射线。所述测井仪包含伽马射线探测 器，其探测由发射的中子诱导的伽马射线的能谱；和数据处理电路，其使 用包含至少两个子-标准的标准能谱的组合对探测的伽马射线能谱执行分 析，其中所述子-标准表示共同元素或元素组且其基于中子相互作用的不同 位置进行区分，以及使用所述分析估测地层情况。

其它实施方案包括实现上文描述的方法学实施方案的结构、装置、器 械和系统。另外，尽管公开了具有多个元素或方面的多个实施方案，但是 对于本领域技术人员来说，从示出且描述了本发明的示例性实施方案的下 文详细的说明书中将明显可以得出本发明的其它实施方案、元素、以及方 面。因此，附图和详细的说明书将被视为实质上是说明性的而非限制性的。

附图说明

图1是根据本公开的实施方案的井场系统的示意图。

图2是根据本公开的实施方案的随钻测井频谱分析测井仪的示意性图 例。

图3和4是根据本公开的实施方案的示意性框图。

图5是说明了测井仪背景铁比率与地层西格玛的相关性的图表。

图6是说明了测井仪背景铁比率与地层慢化长度的相关性的图表。

图7是说明了井眼尺寸如何缓和测井仪背景铁比率与地层西格玛的相 关性的图表。

图8是说明了地层基质铁重量浓度差异的图表。

图9是说明了背景铁比率的参数化的图表。

图10A和10B是说明了地层基质铁重量浓度的柱状图。

图11A和11B是说明了相对于地层西格玛的参数化的测井数据中铁比 率的图表。

图12是说明了根据本公开的实施方案的方法的流程图。

图13是说明了测井仪内部背景能谱和测井仪外部背景能谱的实验取得 的实例的图表。

图14是说明了通过建模取得的内部和外部测井仪背景能谱的图表。

图15是说明了根据本公开的实施方案的方法的流程图。

图16是说明了来自起源于地层中的伽马射线和来自起源于井眼或泥浆 通道中的伽马射线的建模能谱的图表。

图17是说明了中子捕获的空间分布的蒙特卡罗（Monte Carlo）建模的 图表。

图18是说明了根据本公开的实施方案的方法的流程图。

具体实施方式

包括方法、器械和系统实施方案在内的本公开的一个或多个具体实施 方案将在下文中描述。这些描述的实施方案和它们的各自不同元素仅仅是 目前公开的技术的实例。公开的器械的结构方面提供装置用于实现公开的 方法的不同方面。应该理解，在任何这样实际实施方式的开发中，例如在 任何工程或设计项目中，可能作出大量关于实施方式的具体决定用以实现 开发者的特定目标，例如遵从系统相关和商业相关的限制，所述目标可能 因实施方式而不同。而且，应该理解，这样的开发努力可能是费时的，但 对于受益于本公开的本领域技术人员而言将仍然是设计、制造和生产的常 规任务。

当引入本公开的各种不同实施方案的元素时，表述“一”、“一个”以及 “该”旨在表示存在一个或多个所述元素。术语“包含”、“包括”、以及“具有” 旨在表示包括且表示可能存在所列元素以外的附加元素。此外，应该理解， 提及本公开的“一个实施方案”或“实施方案”不旨在解释成排除也包含所列 元素的附加实施方案的存在。

图1说明了井场测量仪器、系统和方法的实施方案。图1的井场系统 可以在岸上或在海上用以，例如勘探和生产石油、天然气、以及其它资源， 它们能够被使用、炼制、和以其它方式加工用于燃料、原料、和其它目的。 在图1的井场系统中，井眼11能够在地下地层（例如岩石地层）中通过使 用任意合适技术的旋转钻井来形成。可将钻柱12悬挂在井眼11之内且能 够在其下端具有包含钻头105的井底钻具组合100。图1的井场系统的地面 系统能够包含布置在井眼11之上的平台和钻塔组件10，其中所述平台和钻 塔组件10包含转盘16、方钻杆17、吊钩18以及转环（rotary swivel）19。 钻柱12能够通过转盘16旋转，所述转盘16通过任意合适的装置提供动力 且在钻柱12的上端啮合方钻杆17。钻柱12可从吊钩18处悬挂下来通过方 钻杆17和转环19，其中所述吊钩18附连到游动滑车（未示出）且所述转 环19使得钻柱12可相对于吊钩18旋转。可以替换性地使用顶部驱动系统， 其可以是本领域技术人员熟知的顶部驱动系统。

在图1的井场系统中，所述地面系统也可以包含在井场处形成的存储 在池27中的钻井液或泥浆26。泵29可以通过转环19中的端口将钻井液 26输送到钻柱12的内部，从而使钻井液如方向箭头8所示向下流动通过钻 柱12。钻井液26可以通过钻头105中的端口离开钻柱12，且如方向箭头9 所示向上环行通过钻柱12的外部与井眼11的井壁之间的环状区域。以这 种方式，钻井液润滑钻头105且当钻井液26返回到池27用于再循环时将 地层钻屑向上携带到地面。

作为一个例子，图1的井场系统的井底钻具组合100可以包含随钻测 井（LWD）模块120、另一个类型的随钻测量（MWD）模块130、旋转式 可转向系统（roto-steerable system）和马达150、以及钻头105中的一个或 多个。LWD模块120可以安装在特殊类型的钻井钻铤中。还将理解的是， 可以使用一个以上的LWD模块或LWD模块之内的测井工具（其通常由附 图标记120A表示）。因此，提及LED模块120还可以替换性地意味着也适 用于在120A的位置处的模块。LWD模块120可以具有用于测量、处理和 存储信息以及用于与地面设备通信的能力。

图2呈现了为能谱测井工具121的或包含能谱测井工具121的LWD模 块的示例性实施方案的侧视图的示意性框图。所述测井工具121包含底盘 122、钻铤123以及延伸通过所述测井工具121的流动导管124。中子源125 位于测井工具121中第一位置处，且探测器126（例如伽马射线探测器）位 于与所述中子源125轴向间隔开的第二位置处。中子屏蔽127（例如硼屏蔽） 相对于中子源125径向布置在第二位置处或接近第二位置处。设想到关于 这个实施方案以及使用LWD模块120和测井工具122的通常配置或方面的 能谱测井仪的其它实施方案的细节与任意合适的运输装置一起使用，所述 运输装置例如电缆、挠性管道、随钻测井（LWD），等等。进一步地，关于 环境的信息（例如地层西格玛、泥浆西格玛、密度、井眼尺寸、以及慢化 长度）可以使用如下文进一步讨论的额外的设备来获得。

图3和4呈现LWD模块120的实施方案的侧视图的示意性框图，其中 图3和图4彼此之间旋转90度。LWD模块120可以与数据处理电路200 连接。尽管LWD模块120和数据处理电路200作为图3中的独立元素描述， 但是可以理解的是，数据处理电路200可以全部在LWD模块120之内、在 远离LWD模块120的地面处、或部分在LWD模块120之内且部分在地面 处实施。通过举例，LWD模块120可以表示Schlumberger Technology  Corporation的EcoScope^TM工具模型。

LWD模块120的这个实施方案的底盘204可以包括用于发射且探测辐 射用以获得频谱分析测量的多种元件和构造。例如，中子源206可以作为 发射至少2MeV中子的中子源，用以通过与地层元素的非弹性散射产生伽 马射线。通过举例，中子源206可以是电子中子源，例如Minitron^TM装置 （其可商购于Schlumberger Technology Corporation），其可以通过氘核-氘核 （d-D）、氘核-氚核（d-T）、氚核-氚核（t-T）或其它合适的反应产生中子脉 冲。因此，中子源206可以发射例如大约2MeV或14MeV的中子，或者发 射具有宽能量范围的中子，例如由连续中子源（如²⁴¹AmBe或²⁵²Cf放射性 同位素源）所获得的那些。

在一些实施方案中，频谱分析测井仪可以包含中子监视器208，其可以 监视中子从中子源206的发射。通过举例，中子源208可以是塑料闪烁器 和光电倍增管，其主要探测直接从中子源206发射的非散射中子，且因此 可以提供与来自中子源206的中子输出速率的中子输出率成比例的计数率 信号。合适的中子监视器的示例性但非限制性的实例在美国专利号 6,884,994中描述，此专利通过援引加入的方式纳入本文。

中子屏蔽210（其可以包含例如钨、铅或硼）可以提供装置用于大规模 地防止来自中子产生器206的中子在内部通过LWD模块120朝向所述屏蔽 210的另一侧上的各种不同的辐射-探测元件传递。合适的钨屏蔽材料可商 购于115Constitution Boulevard,Franklin MA020038的PLANSEE USA  LLC。合适的硼屏蔽可以由多种源获得且可以包含几种不同形式的硼（例如 金属性硼（metallic boron）、B₄C、BN以及其它形式的硼）。在一些实施方 案中，使用由¹⁰B同位素富集的硼且其可商购于Ceradyne,P.O.Box798, Quapaw OK74363。

如图3和4中所示，LWD模块120可以包含两个接近或并置的中子探 测器，例如热中子探测器212以及超热中子探测器214。还可以包含两个远 离的热中子探测器216A和216B且其可以位于比中子探测器212和214距 中子产生器206的间隔更远处。例如，接近的中子探测器212和214可以 与中子发生器206大约间隔10-14英寸，且远离的中子探测器216A和216B 可以与中子发生器206间隔18-28英寸。中子探测器可商购于Twinsburg OH 的GE Reuter Stokes以及Houston,TX的Schlumberger Technology  Corporation。

短间隔（SS）伽马射线探测器218（例如使用NaI、LaBr、或GSO的 探测器）可以位于接近的中子探测器212和214与远离的中子探测器216A 和216B之间。长间隔（LS）伽马射线探测器220可以位于超过远离的中子 探测器216A和216B处，位于比伽马射线探测器218距中子产生器206更 远处。例如，SS伽马射线探测器218可以与中子产生器206大约间隔10-22 英寸，且LS伽马射线探测器220可以与中子产生器206大约间隔24-38英 寸。伽马射线探测器可商购于17900Great Lakes Parkway,Hiram OH 44234-9681的Saint-Gobain Crystals。LWD模块120的可选实施方案可包含 更多或更少的上述的辐射探测器，但是通常可以包含至少一个伽马射线探 测器。中子探测器212、214、216A、和/或216B可以是任意合适的中子探 测器，例如³He中子探测器。为了探测主要的超热中子，超热中子探测器 214可以被热中子屏蔽围绕，而热中子探测器212、216A、和/或216B不被 热中子屏蔽围绕。

伽马射线探测器218和/或220可以是被中子屏蔽围绕的闪烁探测器。 例如，中子屏蔽可以包括⁶Li（例如碳酸锂（Li₂CO₃）），其可以大体上屏蔽 伽马射线探测器218和/或220免于探测热中子且没有产生热中子捕获伽马 射线。当来自中子产生器206的快中子非弹性地散射掉周围地层的特定元 素时，伽马射线探测器218和220可以探测产生的非弹性伽马射线。

来自伽马射线探测器218和220的伽马射线的计数率和能谱以及来自 中子探测器212、214、216A、和/或216B的中子的计数率可以由数据处理 电路200作为数据222来接收。可以是其它提到的元件或结构或者单独的 元件或结构的一部分的数据处理电路200提供装置用于接收数据222且执 行特定步骤或处理用以确定或估测周围地层的一个或多个特性，例如地层 矿物学和本文公开的其它特性。数据处理电路200可以包含处理器224、算 法（用于执行步骤用以实现所公开的目标的步骤或指令；未示出）、记忆装 置（memory）226、和/或存储器（storage）228。处理器224可以可操作地 耦合到记忆装置226和/或存储器228且用于执行本文中所公开的步骤或算 法。本文公开的技术可以由处理器224和/或其它数据处理电路基于可由处 理器224执行的相应的指令来执行。上述的指令可以使用任何合适的制品 来存储，所述制品可以包含一个或多个有形的、计算机可读的介质用以至 少集中（collectively）存储这些指令。所述制品可以包含例如记忆装置226 和/或非易失存储器228。记忆装置226和非易失存储器228可以包含任何 合适的制品用于存储数据和可执行指令，例如随机存取记忆装置、只读记 忆装置、可重写闪存、硬盘、以及光盘。记忆装置226和存储器228在本 文中总体地称为数据存储器。处理器的一个实例是在美国专利5,067,090中 描述的Digital Equipment Corporation PDP-11计算机之内的处理器。其它的 处理器可以是在通用计算机中使用的那些，其使用Windows XP、Windows  Vista、以及Windows7尤其用于在地面处处理。适合用在随钻测井仪（drilling  tool）中的处理器的具体实例有32位浮点处理器，例如Texas Instruments  TMS320VC33DSP。

LWD模块120可以将数据222传送到数据处理电路200，例如通过在 测井仪之内的内部连接、遥感勘测系统通信上行线路、和/或通信电缆。数 据处理电路200可以确定或估测周围地层的一个或多个特性。通过举例， 上述特性可以包含元素的捕获伽马射线的相对能谱产额或地层的元素浓 度。此后，数据处理电路200可以输出表明地层的频谱分析测量的信息或 报告230。报告230可以存储在记忆装置或存储器中用于后期由电路200或 由其它电路进行进一步处理，或者可以通过一个或多个输出装置（例如电 子显示器）提供给操作员。

在中子-捕获频谱分析中，将高能中子发射到围绕测井仪的体积中，在 此处它们损失能量且与环境达到热平衡。在一些时间之后，这些“热”中子被 原子核捕获，从而使得它们变得受激且用以发射具有特征能谱的伽马射线。 捕获元素可以位于地层岩石中、地层孔隙空间中、井眼流体中、或在测井 仪自身中。可以识别与每一个元素有关的特征伽马射线能谱，且分析总测 量能谱用以取得每一个元素的相对贡献。经常，但不总是，受关注的元素 是位于在地层中的那些。在元素——例如Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、Mg、 Al、K、以及Na——是与储油层共有（common to）的有限组矿物的一部分 用于确定或估测测井仪浸入其中的岩石的岩性学的假设下，将来自所述元 素的能谱产额组合在一起且总体地分析。该组假设在现有技术中作为闭合 模型（例如WALK闭合）已知，且可以更改标准闭合模型用于特定的位置。 中子-捕获频谱分析确定或估测的精确度涉及地层的实际元素组成（就是， 组成所述地层的不同元素的存在与每一个元素的贡献百分比）与从频谱分 析测井仪的测量取得的地层的元素组成之间的差别。

在一些实施方案中，背景产额可以由也在频谱分析测井仪之内找到的 这些元素中的一个或多个所产生。因此，地层中这些元素的频谱分析测量 的精确度可以包含共同元素的背景产额的确定或估测以及那些背景产额的 扣除。

一个背景源是来自测井仪自身之内的铁产额，其可以从总铁中扣除以 获得岩石基质铁。背景铁的扣除可以涉及将总测井仪背景分成两个标准能 谱：铁标准能谱，其包含来自测井仪和岩石基质两者的贡献；以及所称的“测 井仪背景”标准能谱，其对应于测井仪中除铁之外的其它元素。假设测井仪 中铁与其它元素总和的比率是常数。因为这些其它元素一般不出现在通常 的井下环境中，所以后一标准是整体背景水平的主要指标。

在一些实施方案中，围绕测井仪的环境可以影响中子云的尺寸和形状， 且可以改变在测井仪自身、测井仪外部的岩石地层、钻井泥浆以及类似物 之内热化的中子的分数。地层的环境条件可能因井而异且在特定的井之内 还可以随深度而变化。不同的地层环境参数的实例包括但不限于井眼尺寸、 地层密度、井眼流体密度、岩石地层的含氢指数、地层的中子慢化长度、 地层的热中子俘获截面西格玛、或井眼流体的热中子俘获截面西格玛。本 公开描述用于确定环境对核频谱分析测量的影响的几个不同的方法和器 械，以及用于确定在地层和测井仪（和/或钻井泥浆或除了地层之外的其它 材料）两者中的一个或多个元素的存在。

用于背景扣除的变量算法（variable algorithm）

地层的频谱分析测量或估测的精确度通过改善背景产额的扣除的精确 度而部分增加。在测井仪的实施方案中，背景的一个来源是来自测井仪自 身的铁产额。在一些实施方案中，LWD工具或模块，例如前文提到的那些， 包含大量的铁（即，由钢制成）。类似地，一些电缆（WL）工具也包含大 量的铁（即，同样由钢制成）。在一些实施方案中，基质铁的精确测量或估 测是有用的，因为用于确定或估测粘土体积的一些算法由岩石基质中的铁 的量来驱动（driven）。用于确定或估测粘土体积的算法或方法论的实例在 美国专利号5,786,595中描述。在一些实施方案中，对地层铁基质的测量或 估测包括从能谱中的总铁产额中扣除测井仪背景。

用于扣除背景铁的一个方法可以包括首先使用频谱分析测井仪测得关 于地层的测井频谱分析数据（例如前文描述的那些），然后通过使用具有两 个标准（特征伽马-射线能谱）的总测井仪背景将测井仪背景扣除。所述两 个标准能谱可以包含铁标准能谱，其包含来自测井仪和岩石基质两者的贡 献；以及所称的“测井仪背景”标准能谱，其对应于测井仪中除铁之外的其它 元素。测井仪之内的这些其它元素可以包括铬、镍、锰、钨、来自探测器 晶体之内的元素、以及其它痕量贡献。因为这些其它元素一般不出现在测 井仪外部的通常井下环境中，所以可以使用来自铁的伽马-射线产额与来自 其它测井仪元素的产额之和之间的恒定比率来表示整体背景水平，其随着 环境条件而不同。

测井仪背景铁产额可以由关系式：

Fe^测井仪/TB≡k，

推出，其中TB表示“测井仪背景”标准的产额，且k可以是通过实验确 定或估测的常数。可以在通常的测井环境中执行上述的实验，其可以使得 能谱测井工具的k值为例如0.55。但是，如果环境的改变引起测井仪背景 产额由期待以外的不同元素混合所组成的话，这个值可能不太精确。在那 种情况中，真实的铁比率变成k以外的某值，且推出的或估测的基质铁测 量（以及取得的粘土估测）是不太精确的。

在一些情况中，测井环境影响热中子在测井工具周围和内部的空间分 布。在一些情况中，且作为结果，测井仪背景的元素组成能谱可以取决于 中子在测井仪之内位于何处而不同地采样。

由于前文提到的原因，捕获原子核的可变位置还可以影响由发射的伽 马射线经历的衰减的程度。结合的结果是，来自背景铁的伽马射线产额与 来自其它测井仪背景元素之间的比率可以偏离常数值k，且背景铁的扣除的 量不够精确。本公开提供了对于给定环境而言更精确的k值，因而可以比 现有技术的当前状态更精确地取得岩石基质中的铁量。

在一些实施方案中，可变背景铁比率的问题可以通过参数化铁比率作 为环境条件的函数来解决，其中所述条件由可以在测井仪管柱中执行的其 它测量来确定或估测。在一些实施方案中，所述函数的形式和系数可以由 频谱分析测井数据、蒙特卡罗建模或其它建模方法而根据经验取得。

在一些实施方案中，这两种方法可以结合在混合方法中，例如，使用 蒙特卡罗模拟可以提供对环境特性的敏感性，其中所述特性原本难以仅仅 由测井数据推出。适合用在本文描述的方法中的蒙特卡罗建模的示例性实 例可以在Ellis和Singer的“Well Logging for Earth Scientists”第2版(Singer, 2007)中找到。对这些方法以及用于执行所述方法的相应的设备和系统的描 述包括在下文的部分中。

由蒙特卡罗建模取得的自适应铁比率

在一些实施方案中，蒙特卡罗建模可以用于模拟中子-捕获频谱分析测 量和提取背景铁比率对不同的环境参数的依赖性。所述建模可以采用分析 来自MCNP的PTRAC输出的MCNP5代码和定制软件（例如，Matlab）来 执行。还可以直接更改MCNP代码用以提取需要的信息。MCNP5代码在 例如来自Los Alamos National Laboratory(2003)的A General Monte Carlo N- Particle Transport Code,Version5,LA-CP-03-0245中描述。

可自蒙特卡罗模拟获得的信息包含中子捕获的空间位置和时间、在其 上捕获它的同位素和材料、在其产生处伽马射线的统计权重（statistical  weight）和能量、以及入射到探测器上的伽马射线的统计权重和能量。由这 个工作的模型产生的受关注的最终数量是由探测器测量的整组元素产额， 其在整个能量通道和计时门（timing gate）的合适范围上积分。

在一些实施方案中，蒙特卡罗模型可以用于产生测井环境的现实范围 的预测的铁比率Fe^测井仪/TB的数据库。所述比率的功能参数化通过对这些关 于有用的环境参数的数据点的变化进行的分析进行提取。在这个实施方案 中，可变环境参数包括地层的热中子捕获截面西格玛（∑_f）、地层慢化长度 （L_s）（其是用于描述热区域之上的中子相互作用的参数）或者含氢指数 （HI）、地层密度（ρ_b）、井眼直径（D_BH）以及钻井泥浆的西格玛值（∑_m）。 在一些实施方案中，完整的数据库可以具有超过1000个点。也可能具有其 它的环境依赖性。

地层慢化长度L_s可以通过多种方法确定或估测。如果使用放射性同位 素中子源，可以使用至少一个中子探测器或一个伽马-射线探测器来测量L_s。 或者，在不同的轴向空间（接近的探测器和远离的探测器）处的热探测器 或超热探测器可以用于从接近/远离计数率的比率来确定或估测L_s（或含氢 指数）。在另一个方法中，可以使用接近的伽马-射线探测器与远离的伽马- 射线探测器之间的计数率比率，或者中子计数率与伽马射线计数率之间的 比率。如果中子源是电子源（连续的或脉冲的），则除了上文的探测器之外， 中子监视器也可以用于确定或估测所述源的中子输出。

可以认为井眼尺寸是被钻头钻井的具有给定直径的井孔的尺寸，或者 更精确地它可以通过井眼尺寸测量获得，其可以通过直接机械测径器测量 （用于电缆工具的）或像超声测径器、密度测径器等尤其适用于LWD/MWD 中的井眼尺寸测量的测量来获得。地层密度可以通过传统的伽马-伽马地层 密度测量、中子-伽马密度（NGD）、声密度、以及很多其它的测量来获得。 孔隙度和/或含氢指数可以由密度测量（如果已知基质密度和地层流体密度） 来取得或由中子孔隙度测量来取得。地层和孔眼宏观中子捕获截面（西格 玛）的测量是工业中已知的且可通过测量诱导的（捕获）中子伽马射线的 衰减或测量中子总数的衰减来获得。井眼西格玛以同样的方式获得。这可 以在电缆应用中采用像Schlumberger Thermal Decay Time、Reservoir  Saturation Tool及Accelerator Porosity Sonde的工具以及在随钻测井应用中 采用Schlumberger EcoScope^TM工具来实现。

Fe^测井仪/TB对每一个环境参数的功能依赖性可以通过对数据的肉眼观察 进行确定，或者可以使用统计方法例如响应地面方法论。例如，且如上文 所述，在一些情况中，由于地层西格玛，铁比率发生强的变化，其中大西 格玛值引起Fe^测井仪/TB的减小；通过肉眼观察，这个依赖性可以通过递减指 数（decreasing exponential）或线性函数来建模。可以添加额外项用以确定 其它环境依赖性。示例性能谱随钻测井工具中铁比率的可行函数（viable  function）具有如下形式：

k(∑_f,L_s,ρ_b,D_BH,∑_m)=c₁

+c₂·exp(-c₄·(D_BH–C₁))·(1-exp(-c₃·(∑_f-C₂)))

+c₆·exp(-c₅·(D_BH-C₃))·(∑_m-C₄)

+c₇·(L_s-c₈)²

+c₉·(ρ_b-C₅)，

其中独立变量分别是上文提到的五个环境特性，系数c₁、c₂、c₃、c₄、 c₅、c₆、c₇、c₈以及c₉是自由参数，其可以在最小二乘拟合中同时确定或估 测，且系数C₁、C₂、C₃、C₄以及C₅是示例性能谱测井仪所特有的参数。

图5示出了对地层西格玛的拟合依赖性的实例，其它环境特性保持不 变。图6示出了针对慢化长度的相同参数化，且图7说明了孔眼尺寸如何 缓和对西格玛所具有的依赖性的强度。这些图的每一个均示出了总拟合数 据库的子集，且每一条曲线均表示上文给出的函数的一维投影。上文给出 的指数函数中的每一个项均可以根据构成测量基础的中子输运物理学来解 释。例如，随着地层西格玛增加，地层中热中子的总体更快地被捕获，这 减小了它们扩散到能谱测井工具部分中的比率。来自地层的向内扩散中子 的减少引起测量的Fe^测井仪/TB比率的整体下降。这个行为与图5中示出的行 为相一致且在实验中观察到。慢化长度的变化使得热中子的空间分布发生 近似的改变，除有相反影响之外，因为大的L_s允许更多的中子进入探测器 附近的钻铤中。

得到的函数是对测井仪背景铁比率的环境依赖性参数化，且它可以代 替常数k来执行比现在可用的背景扣除更精确的背景扣除。在一些实施方 案中，使用集成的能谱测井工具，环境的测量可以用于执行实时的自适应 扣除。或者，可以依赖常数比率k来实时得到回答，同时对环境变化的校 正采用后续处理来完成。

蒙特卡罗建模的使用相对于用以校正元素（例如铁）的实验或数据驱 动方法而言具有优势。虽然蒙特卡罗模拟是统计技术，但是蒙特卡罗模拟 可以具有高的统计精度且无需面对实验噪声。模拟的数据因此具有对环境 参数的敏感性，所述环境参数的影响太小以致于其不能仅仅从测井数据中 提取，但是其仍然存在于真实测量中。建模的另一个优势是独立地改变每 一个受关注的环境特性的能力，无需引起其它参数的相关变化。

例如，在真实地层中，在没有同时影响地层的密度和西格玛的情况下， 改变孔隙度、慢化长度或含氢指数可能是困难的。相比之下，蒙特卡罗模 拟提供对截面和材料组成的任意控制，从而可以设计在其中改变一个特性 而其它特性保持不变的人造地层。这个方法在上文中使用。这个能力是有 价值的，因为它使得可能探测环境的任意方面的单独影响。

由测井数据而根据经验取得的自适应铁比率

取得可变铁比率的另一个方法是经验方法，其中将受关注的测井仪的 测井数据与独立的数据相比较。为了取得具有足够共性（generality）的函 数，这些平行数据集应该覆盖环境变化的真实范围且相关环境测量应该可 用。通常的想法是可以为铁比率提供具有一个或多个未知系数的依赖环境 的函数，且在迭代过程中调整那些系数直到来自受关注的测井仪的岩石基 质数据最接近地匹配独立的、目标数据集。系数的调整可以通过拟合程序 （fitting routine）手工或自动地执行。每一次迭代之后，每一个测量点的铁 比率的新值可以用于重新计算岩石基质数据。

作为具体的实例，经验方法可以用于裸眼井，其中不同类型的能谱测 井工具的数据是可用的。具有更简单材料组成和更简单构造的测井仪可以 具有更少的背景扣除困难。尽管两个不同测井仪设计的元素产额之间不可 直接比较，但是可以比较重量浓度的最终偏差（derivation），且特别是岩石 基质铁的重量浓度的最终偏差。将较简单的测井工具（例如电缆工具）的 数据进行处理，其中使它的基质产额通过闭合模型（例如WALK2，尽管不 是必须的）用以产生表示目标数据的净重元素浓度。与此同时，这些数据 是来自随钻测井频谱分析工具的数据集，其包含来自频谱分析和众多环境 测量的元素产额。这些比较可用于几个井，覆盖宽范围的相关环境条件且 总计超过10000英尺。不使用常数铁比率k，可以用一个或多个环境测量的 函数来代替。

图8是由电缆工具与随钻测井工具产生的具有标称背景扣除的基质铁 重量浓度之间的差别的实例，示例说明了它对地层西格玛的依赖性。地层 西格玛的线性函数是经验数据的可行选择：

k(∑_f)=a₁+a₂·(∑_f-C₆)，

其中，系数a₁表示导致两个工具（测井仪）之间对于具体西格玛值的 最佳一致性的铁比率，a₂是描述对铁-测井仪背景比率如何可以作地层西格 玛方面校正的负斜率，并且C₆是测井仪特异性参数。新的Fe^测井仪/TB参数 化的未知系数通过自动程序而系统地改变，且在每一次迭代处，采用新的 背景扣除方程将每一深度处的随钻测井工具产额重新处理且使其通过闭合 模型。将每个深度处的基质铁的新的随钻测井工具重量浓度与来自电缆工 具的相关铁浓度进行比较。改变所述系数以便在整个多井数据集上平均所 述两个铁浓度之间的差别尽可能地低。图9示出了这个实例中对方位平均 的地层西格玛（∑_f）的线性依赖性。可以添加附加的环境依赖性，但是对 于这个数据集，仅仅使用SIFA已经在两个频谱分析测井仪之间的一致性方 面产生了改进。图10A和10B以比较的方式示例说明了整体改进，示出了 在应用环境自适应校正之前与之后的总体铁比较的柱状图。

应该注意的是，尽管在一些实施方案中多井解决方案更普遍，但是单 井优化也是可以的且更易于生产。尽管岩石基质铁比较对于背景铁比率的 优化而言是最简单的且最直接的，但是两个数据集之间比较的数量还可以 扩展到铁之外以包含其它元素浓度。在一些实施方案中，如果可获得的话， 核心分析数据（core data）可以用作代替测井数据的独立数据。

自建模和测井数据二者取得的自适应铁比率

在一些实施方案中，取得可变铁比率的另一个方法是一种混合方法， 其中Fe^测井仪/TB的环境参数化通过蒙塔卡罗建模进行开发且然后采用测井 数据优化或调谐。例如，上文描述的指数函数可以应用在上文描述的经验 程序中，其中改变所述系数中的一些或所有用以匹配目标数据。这个方法 的直接应用是根据经验优化所述系数中的一个或多个，而同时剩余的系数 能够保留通过蒙特卡罗建模已经确定或估测的值，其中利用其更加精细的 敏感度。新的混合参数化在如上文所述的相同的多井数据集中优化。图11A 和11B将铁比率相对于由能谱随钻测井工具测量的地层西格玛的原始的和 更改的参数化进行比较。在每一西格玛值处的Fe^测井仪/TB的小扩展由从纯建 模取得的其它环境依赖性带来。

图12是示例说明使用核频谱分析测井仪（例如上文针对图1-4所描述 的）的用于确定或估测地层情况的方法的流程图。通常如框1210所示，可 以将核频谱分析测井仪放置到井眼中。如框1220所示，多个环境测量可以 使用核频谱分析测井仪或其它设备执行。环境测量的示例说明性但是非限 制性的实例包括井眼尺寸、岩石地层密度、井眼流体密度、岩石地层的含 氢指数、地层的中子慢化长度、地层的热中子俘获截面、或井眼流体的热 中子俘获截面中的一个或多个。

如框1230所示，中子可以从核频谱分析测井仪中发射，从而使得所述 中子中的一些从临近所述核频谱分析测井仪的地层中产生伽马射线且所述 中子中的一些从在核频谱分析测井仪之内的元素中产生伽马射线。在一些 实施方案中，中子源可以是电子中子发生器（例如脉冲电子中子发生器） 或化学源（例如AmBe）。在一些实施方案中，中子可以非弹性或辐射捕获 相互作用的方式与地层或测井仪的元素相互作用。测井仪之内的元素可以 构成测井仪的一部分，或可以在流动进入以及通过测井仪的材料之内发现。

如框1240所示，可以探测到由发射的中子诱导的伽马射线的能谱。在 一些情况中，所述能谱可以包含具有多个测量的能谱成分的背景。通常如 框1250所示，所述背景的至少一个能谱成分与另一个测量的能谱成分之间 的背景比率可以根据多个环境测量进行确定或估测。在一些实施方案中， 背景比率的确定或估测包括以一个或多个测量的环境参数的函数的形式确 定或估测来自核频谱分析测井仪之内的铁的铁产额与总的铁背测井仪（iron  back tool）背景产额之间的比率。

在一些实施方案中，用于估测背景比率的算法是基于蒙特卡罗建模、 先前的实验测量或蒙特卡罗建模与先前的实验测量的组合。如框1260所示， 探测的伽马射线能谱可以使用标准能谱的组合并根据该背景比率扣除所述 背景的至少一个能谱成分进行分析。

在一些实施方案中，被扣除的背景能谱成分包括来自元素（例如水泥 环、套管、或井管道中的钙或铁）的伽马射线。在一些实施方案中，被扣 除的背景能谱成分包括发射自核频谱分析测井仪之内的铁的伽马射线。测 井仪背景铁能谱可以具有相对于测井仪背景的其它能谱成分的特定估测比 率。在一些实施方案中，测井仪背景的其它成分可以包含Cr、Ni、Mn、W、 Mo、Co以及伽马射线探测器的晶体之内的元素中的一个或多个。在一些实 施方案中，被扣除的能谱背景成分具有相对于总地层岩石成分而言的特定 的估测背景比率。例如，来自钢套管和水泥环的背景铁和钙可以根据相对 于总地层元素的比率从频谱分析测量中扣除。

在一些实施方案中，分析经探测的伽马射线能谱包括使用所测量的环 境参数进行确定或估测产生自核频谱分析测井仪之内的元素的所述能谱的 部分，以及扣除能谱的那个部分用以确定或估测由岩石地层之内的元素导 致的能谱部分。

在一些实施方案中，且如框1270所示，地层情况可以基于如框1260 所执行的分析进行确定或估测。例如，粘土的分数数量可以使用元素-矿物 换算（inversion）由元素分数进行确定或估测。由于大部分粘土矿物包含铁， 所以这个换算的精确度高度依赖于元素铁分数的精确度。

使用不同空间区域的两个或多个标准

在一些实施方案中，测井仪背景可以分成多重（就是说，两个或多个 标准能谱或部分）用以确定测井仪的贡献，这取决于中子相互作用的不同 位置。这个实施方案的一个实例取决于测井仪捕获的中子是在流动导管内 部热化还是在测井仪的外部部分周围热化。这些不同的能谱可以从测量或 通过蒙特卡罗建模获得。在一些实施方案中，来自这些能谱的贡献的比率 可以基于包括井眼尺寸、地层密度、井眼流体密度、孔隙度、地层的含氢 指数、地层的中子慢化长度、地层的热中子捕获截面、或井眼流体的热中 子捕获截面的环境依赖性进行限制。基于空间区域将单个标准能谱分割成 为多个标准的这个方法可以应用于由于环境（例如测井仪背景的实例）其 元素组成改变的组合标准。一个特定的实施方案可以包括使用两个不同的 能谱来限制变量的数目或自由程度以及任意相应的误差。

因为中子可按照取决于环境条件的比例在流动导管（或通道）内部以 及在测井仪外部周围两处进行热化，所以来自测井仪部件的伽马射线不完 全地或最精确地如习惯所示的由单个能谱形状来确定。热中子总体的空间 分布受很多环境因素影响，包括但不限于井眼尺寸、地层密度、井眼流体 密度、孔隙度、地层的含氢指数、地层的中子慢化长度、地层的热中子捕 获截面、或井眼流体的热中子捕获截面。对于在测井仪的内部产生更大比 例的热中子的环境，测井仪背景的最终真实能谱将看起来更加类似于内部 测井仪部件的材料。在测井仪外部热化相对大分数的中子的环境将产生对 外部测井仪部件更稠密（heavily）采样的背景。

在一些实施方案中，测井仪可以缺乏大部分在径向方向上的均匀性。 在一些实施方案中，测井仪可以缺乏方位角和/或轴向上的均匀性。例如， 可以在沿着测井仪的轴远离中子源的组成上存在不同，且中子输运可以在 流动通道内部与测井仪外部之间不同。结果，测定在泥浆通道中与在测井 仪外部热化的中子的相对贡献需要在测井仪长度的不同区域中采样。这个 结果的示例说明性的但非限制性的实例是闪烁器晶体，其可以具有不完全 屏蔽的中子截面且仅仅存在于距中子源明确（well-defined）的距离处。

在一些实施方案中，使用单个常数“测井仪背景”标准对测量的能谱进行 分析可能造成困难，因为任意单个标准不总是反映测井仪背景的真实能谱 形状，这引起其它元素产额中的偏差，且认为是这个其它背景的比率的背 景铁方面的校正可能不精确。为了确定测井仪背景中材料的混合，对于在 测井仪材料中发现的每一元素可以包括标准能谱，所述材料可以包含Cr、 Ni、Mn、Fe、Mo、Co、W、以及探测器晶体自身之中的一个或多个。但是， 在分析中包括这么多额外的自由程度可能导致不可接受的统计不确定性。

在一些实施方案中，可以包含两个标准能谱用以确定测井仪背景，其 中一个主要包含来自在测井仪内部热化的中子的伽马射线，其主要在流动 导管内部，且另一个来自在测井仪的外部部件周围热化的中子。在一些实 施方案中，总测井仪背景可以是这两个能谱的线性组合。为了示例说明， 进行测量，其中采用富集的¹⁰B围绕测井仪外部缠绕（wrap）用以抑制外部 测井仪背景且因此测量“内部”成分，且采用流动管道（没有外部屏蔽）中装 载硼砂的泥浆用以提取测井仪背景的“外部”成分。

图13将两个所得能谱进行比较，其基于被采样的测井仪部件而展现不 同的元素组成。图13中，能谱1310表示内部背景标准而能谱1320表示外 部背景标准。作为原理的证明，核实了对于三个不同的孔隙度（0、15、以 及100p.u.）的总的测井仪背景可以精确地与这两个形状的不同组合相匹配。 而且，可用于这个匹配的内部-外部背景标准的比率示出了对孔隙度的系统 的依赖性，其表明可能不止用于单个测井仪标准且还表明了该比率可以是 由其它测量的参数——例如井眼尺寸、岩石地层密度、井眼流体密度、岩 石地层的含氢指数、地层的中子慢化长度、地层的热中子捕获截面、或井 眼流体的热中子捕获截面——可预测的。

也可以提取多个背景标准且通过重复上文描述的实验布置的蒙特卡罗 建模进行研究。图14示出了内部测井仪背景能谱1410和外部测井仪背景 能谱1420。正如在实验测量中，两个假设的标准彼此不同。内部标准1410 强调为流动导管材料所特有的高能峰，而钻铤中锰的6-7MeV峰为外部能谱 1420中突出的。这些建模结果与最初的实验研究完全一致。

在一些实施方案中，使用两个标准提供了至少部分地确定环境影响的 优势，其中所述环境影响决定了如何对测井仪背景进行采样。最终的分析 将使用更加代表真实测井仪背景的总的背景形状，这将减少背景分数和其 它信号产额的提取中产生偏差的可能性。

第二个优势将来自对于测井仪背景中铁的更加精确的校正，其对于产 生精确的粘土估测而言是有用的步骤。铁可以存在于测井仪和地层两者中， 且组合的铁贡献可以采用单个铁标准（其和上文讨论的非铁“测井仪背景” 相分离）进行分析。为了实现对地层铁的测量，测井仪铁的大的贡献可以 从总的铁中扣除。铁扣除的习惯方法采取测井仪铁相对于其它背景元素所 具有的固定比率。如果其它测井仪背景产额有偏差（biased），则将其直接 转换成地层铁产额的偏差。而且，正因为所述两个新提出的标准之内的元 素混合物十分不同，所以相对于它们的铁比率也存在差别。如图14所示， 与为0.55的整体测井仪背景的实验测量值相比较，蒙特卡罗建模对于由内 部和外部测井仪背景标准表示的测井仪材料的混合分别预测了0.33和0.60 的Fe/TB比率。这表明对于铁校正使用两个标准可以更加精确。

这个实施方案应用于具有LWD工具的热中子捕获频谱分析，但是该方 法还可以应用于来自非弹性中子相互作用的伽马射线并且还用于电缆工 具。非弹性测量易于具有不太严重的环境依赖性，但是它们仍然存在，例 如对于密度和孔隙度而言。电缆频谱分析测井仪在它们的材料组成上比用 于频谱分析测井仪的一些随钻测井设计更加均匀，所以它们对测井仪背景 的环境影响没有减少。没有流动导管和泥浆通道，中子主要在电缆工具的 外部上热化。然而，可以想象其中基于空间区域的多个测井仪背景标准也 可以用于电缆工具的情况。

图15是示例说明使用核频谱分析测井仪用于确定地层情况的方法的流 程图。在一些实施方案中，核频谱分析测井仪可以在其材料组成方面具有 空间非均质性。在一些实施方案中，核频谱分析测井仪可以是具有沿着电 缆工具延伸的弓形弹簧的电缆工具或适应钻井泥浆通道（accommodate  passage of drilling mud）的随钻测井工具。

通常如框1510所示，可以将核频谱分析测井仪放置到井眼中。如框1520 所示，中子可以从核频谱分析测井仪中发射，从而使得所述中子中的一些 从临近所述核频谱分析测井仪的地层中产生伽马射线，所述中子中的一些 从在核频谱分析测井仪之内的元素中产生伽马射线且所述中子中的一些从 钻井泥浆中的元素中产生伽马射线。在一些实施方案中，中子源可以是电 子中子发生器例如脉冲电子中子发生器，或者化学源例如AmBe或Cf。在 一些实施方案中，中子可以非弹性或辐射捕获相互作用的方式与地层或测 井仪的元素相互作用。测井仪之内的元素可以构成测井仪的一部分，或可 以在流动进入以及通过测井仪的材料之内发现。

如框1530所示，可以探测到由发射的中子诱导的伽马射线的能谱。在 一些情况中，所述能谱可以包含具有多个测量的能谱成分的背景。

通常如框1540所示，探测的伽马射线能谱可以使用包含至少两个子- 标准的标准能谱的组合进行分析，其中所述子-标准表示共同元素或元素组 但是其基于中子热化的位置进行区分。在一些实施方案中，所述至少两个 子-标准表示来自由核频谱分析测井仪的不同空间部分中的中子热化所产生 的测井仪背景或伽马射线能谱的元素的组合。在一些实施方案中，所述至 少两个子-标准中的每一个包含在核频谱分析测井仪之内发现的至少两个元 素的不同组合。在一些实施方案中，所述至少两个子-标准中的每一个包括 Fe、Cr、Ni、Mn、W、Co以及Mo的不同组合。

在其中频谱分析测井仪是随钻测井工具的一些实施方案中，所述至少 两个子-标准分别表示由在所述核频谱分析测井仪之内热化的中子产生的伽 马射线和由在所述核频谱分析测井仪外部热化的中子产生的伽马射线。在 一些实施方案中，所述至少两个子-标准包含表示由在流动导管内部的钻井 泥浆之内热化的中子产生的伽马射线的第一子-标准和表示由在周围井眼或 岩石地层中热化的中子产生的伽马射线的第二-子标准。

在一些实施方案中，蒙特卡罗建模用于产生至少一个存储的基于空间 区域的标准能谱。在一些实施方案中，设计为将起源于不同空间区域中的 伽马射线进行分离的实验测量用于产生至少一个存储的标准能谱。

在一些实施方案中，所述至少两个子-标准中的每一个表示单个元素且 按岩石地层中、核频谱分析测井仪周围的泥浆中、或核频谱分析测井仪内 部的流动通道之内的泥浆中起源的区域进行区分。在一些实施方案中，所 述单个元素是氢，所述子-标准分别表示岩石地层中的氢和井眼泥浆中的氢。 在一些实施方案中，所述单个元素是氯，所述子-标准分别表示岩石地层中 的氯和井眼泥浆中的氯。

在一些实施方案中，区别的步骤包括将由所述至少两个子-标准中的每 一个表示的伽马射线衰减进行比较。在一些实施方案中，标准能谱包括一 个平均能谱标准和一个或多个表示平均标准与剩余的多个子-标准之间的差 别的“差别”标准。在一些实施方案中，标准能谱包括表示一个起源区域的极 端之一的能谱、或极端与平均能谱之间的区域的任意线性组合、以及表示 相对于这个标称标准的差别的剩余的多个子-标准。在一些实施方案中，取 得标准能谱从而使得其线性组合为单个元素提供整体能谱形状的近似值。

在一些实施方案中，且如框1550所示，地层情况可以基于如框1540 所执行的分析进行估测。在一些实施方案中，估测地层情况包括预测地层 的组成和基于预测的岩石地层组成作出钻井决定。在一些实施方案中，在 预测岩石地层的组成之后提取原油和天然气中的至少一个。例如，从测量 的元素浓度确定粘土含量可以用于估测岩石的渗透性且因此用以估测可能 存在的任意油的产量。

可变形状标准

在核频谱分析中，元素标准能谱用于表示单个元素或以特定比例复合 的元素组的特征伽马射线能谱。单个元素标准的实例包括但不限于Fe、Cr、 Ni、Mn、W、Mo以及Co。复合标准的普通实例是“测井仪背景”标准，其 将以被认为是有意义的比例构成测井仪的元素进行组合。传统的分析具有 由单个标准能谱表示的每一个单个元素或组合元素组，无论井下环境如何 所述单个标准能谱的形状均是固定的常数。如果测井仪浸入其中的环境引 起真实的特征能谱具有不同的形状，则不精确的标准的使用可能引起能谱 分析中的偏差。

在一些实施方案中，维持单个标准能谱但是基于对井下环境的其它测 量对单个标准能谱的形状进行修改可能是有用的。能谱和其相关的算法可 以被称为“自适应标准”或“可变标准”用以对能谱与常数能谱形状的假设进 行区别。预测这种形状变化的条件（understanding）可以通过实验获得，例 如通过在不同的孔隙度或地层以及井眼含盐量处取得相同的标准。该条件 还可以通过使用蒙特卡罗建模和其它建模方法的研究获得。

自适应标准可以是复合标准（例如测井仪背景），在这种情况中可以预 测测井仪中由中子采样的元素或材料的相对混合物。还可以调整能谱用以 确定在其上伽马射线散射的距离。自适应算法可以包含来自测量的信息， 包括但不限于井眼尺寸、地层密度、井眼流体密度、孔隙度、地层的含氢 指数、地层的中子慢化长度、地层的热中子捕获截面、或井眼流体的热中 子捕获截面。自适应变化可以包括但不限于提供拉长能谱波形（smear）或 移动能谱的变形（transform）的操作、调整到特定峰的高度和宽度、或者描 述康普顿（Compton）散射（其中伽马射线与电子碰撞且将它能量中的一些 传递给电子）的固定形状的相对分数或任意元素子-成分的变化。这些自适 应可以在井下实时执行或者它们可以在后续处理中施用。

在一些实施方案中，可变标准也可以是可以受到环境影响的单个元素 标准。特别受关注的实例是康普顿散射以及对来自氢和氯的伽马射线的衰 减影响，其中氢和氯元素是常存在于井眼和地层两者中的元素。平均而言， 井眼中的原子核位于比地层中相同元素的原子核更接近于探测器处。结果， 来自地层元素的到达探测器的伽马射线易于比仅仅来自井眼中的相同元素 的伽马射线在更长的距离上衰减和散射以及通过更致密的介质。观察到的 每一个元素的整体能谱可以是与每一个空间区域有关的不同特征能谱的混 合。虽然这些影响对于氢和氯而言是所关注的，但是该问题可适用于占据 多个空间区域的任意元素。在一些实施方案中，一个解决方式是针对受关 注的元素对地层与井眼成分使用单独的标准（或任意基于空间区域的其它 的多个标准）。另一个解决方式是对每一个元素使用一个单个标准，其中可 以改变其形状用以确定环境影响。基于康普顿向下散射（意味着在康普顿 事件中伽马射线损失它们能量的一部分）以及特定峰的相对高度和宽度的 调整对于这个应用而言是特别受关注的，但是也可能是其它变化。该调整 可以基于上文描述的近似的环境测量进行。这个方法适于任何元素的标准 能谱，包括但不限于H、Cl、S、Ba、Ca、Si、以及Fe。

在一些实施方案中，可变标准将提供更代表能谱成分的真实形状的形 状，其中想要对所述真实形状在给定的环境中进行描述。这减少了能谱拟 合程序中元素产生偏差的可能性。该方法还提供了统计精度方面的益处， 因为单个标准的使用（即没有进入附加的标准）可以最小化拟合中自由程 度的数目。

可变标准形状的方法可适用于来自任意中子能量状态的伽马射线，包 括热中子捕获和非弹性中子碰撞。该方法可适用于任何核频谱分析测井仪， 包括电缆和随钻测井仪器。

如上文所述，将单个标准分割成为多个成分标准的方法具有另一个应 用，其中当多个标准表示不同的空间区域的相同的单个元素时涉及到该应 用。这个方法再一次由环境影响驱动，但是来自不同的角度。然而在环境 在其形状被视为常数的能谱中引起不同的元素混合之前，在此所述环境更 加简单地影响单个元素的伽马射线衰减的距离。换句话说，先前的方法聚 焦在采用来自所述源的中子研究变化对探测器所敏感的不同位置的增殖 （populate）的影响，而后面的方法很大程度上关系到由于原子核相互作用 场所相对于探测器位置的不同几何形状对能谱的影响的确定。前者更加受 中子输运所影响而后者更加受伽马射线输运所影响。

一个实例是来自由在井眼中的氢相对于在地层中的氢所进行的中子捕 获的伽马射线。平均而言，在井眼中的氢位于比在地层中的氢更接近于探 测器处。因此来自地层氢的到达探测器的伽马射线比仅仅来自井眼的伽马 射线在更长的距离上衰减和散射且通过更致密的介质。这两个不同空间区 域的与氢相关的特征伽马射线能谱可以由实验测量或由蒙特卡罗建模进行 提取。

图16示出来自这两个区域的氢的建模的能谱标准，再一次使用能谱随 钻测井工具，且图17画出所述两个能谱的空间起源。图16中，将地层中 氢的建模的能谱标注为能谱1610，而将在井眼和泥浆通道中的氢的建模的 能谱标注为能谱1620。图17中，将来自地层中的氢的建模的中子捕获标注 为区域1710，而将来自井眼和泥浆通道中的氢的建模的中子捕获分别标注 为区域1720和1730。由于伽马射线能量的损失平均而言来自通过更大距离 以及通过更致密材料的散射，地层H的标准在更低的通道中具有更大的权 重。在这个实例中，“井眼”标准包括在测井仪外部周围的井眼与泥浆通道两 者。对于随钻测井工具，通过从外部井眼的贡献中分离泥浆通道贡献，也 可能取得第三氢标准。

在一些实施方案中，代替对氢仅仅使用一个标准，增强的频谱分析将 使用至少这两个标准。在更小井眼中或在含盐井眼中的测量将观测到来自 井眼氢的更少产额，且在更少孔隙地层中的测量将观测到来自地层氢的更 少产额。类似这些的环境影响引起探测的氢能谱的整体形状变化。然而通 常的单标准分析尝试将常数形状施加在所有的氢上——具有偏差将增殖到 所有能谱产额、而不仅仅是氢的风险——双标准分析通过可使H能谱成分 以有意义的方式混合而至少部分地确定这些环境影响。

这个双区域方法的等同仪器使用描述H（包括地层和井眼两者）的平 均总能谱的一个标准，以及描述地层和井眼能谱之间的差别的第二标准。 两个标准的变化的总和再一次提供确定环境影响的总能谱。在一些实施方 案中，两个所述测井仪标准的其它线性组合可以精确地（mathematically） 等同且可以使用。

这个实例讨论了氢的具体情形，但是该方法也可以改善测量出现在地 层和井眼两者中的其它元素（最显著的是氯）的精确度。可以因这种方法 观测到改进测量的元素包括但不限于氢、氯、硫、钡、钙、硅、以及铁。 此外，受关注的空间区域不仅仅限于地层和井眼。使用实验测量或蒙特卡 罗建模或其它建模方法，这个技术通常适用于可以基于任意空间区域被分 割成多成分的任意单元素标准。

图18是示例说明使用核频谱分析测井仪来用于确定地层情况的方法的 流程图。通常如框1810所示，可以将核频谱分析测井仪放置到井眼中。在 一些实施方案中，核频谱分析测井仪可以在其材料组成方面具有空间非均 质性。在一些实施方案中，核频谱分析测井仪可以是具有通过或沿着电缆 工具延伸的弓形弹簧的电缆工具或者适应钻井泥浆通道的随钻测井工具。

如框1820所示，多个环境测量可以使用核频谱分析测井仪或其它设备 执行。环境测量的示例说明性但非限制性的实例包括井眼尺寸、地层密度、 井眼流体密度、孔隙度、地层的含氢指数、地层的中子慢化长度、地层的 热中子俘获截面西、或井眼流体的热中子俘获截面中的一个或多个。

如框1830所示，中子可以从核频谱分析测井仪中发射，从而使得所述 中子中的一些从临近所述核频谱分析测井仪的地层中产生伽马射线，所述 中子中的一些从在所述核频谱分析测井仪之内的元素中产生伽马射线且所 述中子中的一些从钻井泥浆中的元素中产生伽马射线。在一些实施方案中， 中子源可以是电子中子发生器例如脉冲电子中子发生器，或者化学源例如 AmBe或Cf。在一些实施方案中，中子可以非弹性或辐射捕获相互作用的 方式与地层或测井仪的元素相互作用。测井仪之内的元素可以构成测井仪 的一部分，或者可以在流动进入以及通过测井仪的材料之内发现。通常如 框1840所表示，使用测井仪探测由发射的中子诱导的伽马射线的能谱。

如框1850所示，可以使用标准能谱的组合对探测的伽马射线能谱进行 分析，其中至少一个标准能谱的形状基于环境测量改变用以确定环境对伽 马射线能谱的影响。在一些实施方案中，具有可变形状的标准表示单个元 素，例如氢或氯。在一些实施方案中，被确定的环境影响是伽马射线衰减， 如由从岩石地层发射的伽马射线相对于从井眼流体发射的伽马射线的相对 的混合物所驱动的。

在一些实施方案中，具有可变形状的标准表示测井仪背景中元素的集 合，例如Fe、Cr、Ni、Mn、W、Mo以及Co中的一个或多个。在一些实施 方案中，测井仪背景中的元素集合包括在伽马射线探测器的晶体之内的元 素。在一些实施方案中，测井仪背景标准的可变形状确定在形成测井仪背 景的元素的相对混合物中的改变，如由在给定环境中产生的中子的空间分 布所驱动的。在一些实施方案中，至少一个标准能谱的形状和变化通过蒙 特卡罗建模、实验测量或蒙特卡罗和实验测量的组合取得。

在一些实施方案中，且如框1860所示，地层情况可以基于如框1850 所执行的分析进行估测。在一些实施方案中，估测地层情况包括预测地层 的组成和基于预测的岩石地层的组成作出钻井决定。在一些实施方案中， 可以在预测岩石地层的组成之后提取原油和天然气中的至少一个。

在不脱离本发明的范围的情况下，能够对所描述的示例性实施方案和 它们的不同特征作出各种修改、添加和组合。例如，尽管上文描述的实施 方案涉及具体特征，但是本发明的范围也包括具有不同特征组合的实施方 案和不包括所有上文描述特征的实施方案。