用于对钻杆内部的地球物理测井进行密度校正的方法及系统技术领域
本发明涉及用于矿物勘探及其操作的工具，且特定来说涉及用于矿物勘探的伽马-
伽马工具的使用及操作。
背景技术
地质钻孔构成矿物勘探的重要组成部分，包含但不限于铁矿石的勘探。此钻孔提供
关于组成在估计资源及储量时使用的地质模型的岩性的信息。
在石油勘探中，伽马-伽马地球物理测井为提供用于在对芯及样本进行钻孔时测量密
度的方法的一种技术。此系统还可用于矿物勘探。然而，出现若干问题。特定来说，在
矿物勘探中，易碎岩石可致使密度测量不准确。用于形成井孔的钻杆的移除可损坏井孔
的边缘。
此外，如果井孔塌陷，那么下降到不具有套管的井孔中的测井工具可陷获在井孔中。
石油工业中的测井工具如果被卡住那么可被丢弃，这是因为石油勘探将永不会到达所述
工具被直接卡住的点。然而，在矿物勘探(例如铁矿石勘探)中，矿工可能够到工具且因
此呈现危险。
发明内容
本发明的第一方面在于提供一种用于在矿物勘探中估计井孔周围的材料的密度的
方法。所述方法包括：将工具插入到位于井孔内的钻杆中，所述工具具有伽马辐射源及
至少一个传感器；使所述工具在所述钻杆内升高；在所述至少一个传感器处接收伽马计
数读数；将所述伽马计数读数发送到计算装置；以及在所述计算装置处从所述伽马计数
读数移除所述钻杆的效应以计算所述井孔周围的材料的密度。
本发明的第二方面在于提供一种用于存储指令的非暂时性计算机可读媒体，所述指
令在由计算装置的处理器执行时经配置以：从工具的传感器接收伽马计数读数，所述工
具具有伽马射线源且被在井孔内的钻杆中升高；依据所述伽马计数读数确定经组合密度；
以及在所述计算装置处从所述伽马计数读数移除所述钻杆的效应以计算所述井孔周围
的材料的密度。
附图说明
参考图式将更佳地理解本发明，其中：
图1是展示对遍及易碎及非易碎材料延伸的芯进行钻孔的框图；
图2是展示多个深度处的井孔壁直径与标称直径相比的变化的图形；
图3是展示井孔中的多个深度处的密度测量值、卡尺测量值及自然伽马辐射的图形；
图4是用于伽马-伽马测井的进一步简化工具的示意图；
图5是展示铯-137源的伽马计数读数对密度的曲线图；
图6是用于具有钻杆套管的井孔中的伽马-伽马测井的进一步简化工具的示意图；
图7是行进穿过钻杆、进入岩石中且在多个传感器处接收的伽马射线束的展开图；
图8是展示图7的伽马射线束的横越的各种分量的示意图；
图9是展示装套管的孔及未装套管的孔中的密度测量值以及残差及误差校正的图形；
及
图10是能够与本发明的系统一起使用的实例性计算装置的简化框图。
具体实施方式
本发明提供一种在矿物勘探中用于估计井孔周围的材料的密度的方法，所述方法包
括：将工具插入到位于井孔内的钻杆中，所述工具具有伽马辐射源及至少一个传感器；
使所述工具在所述钻杆内升高；在所述至少一个传感器处接收伽马计数读数；将所述伽
马计数读数发送到计算装置；及在所述计算装置处从所述伽马计数读数移除所述钻杆的
效应以计算所述井孔周围的材料的密度。
本发明进一步提供一种用于存储指令的非暂时性计算机可读媒体，所述指令在由计
算装置的处理器执行时经配置以：从工具的传感器接收伽马计数读数，所述工具具有伽
马射线源且被在井孔内的钻杆中升高；依据所述伽马计数读数确定经组合密度；及在所
述计算装置处从所述伽马计数读数移除所述钻杆的效应以计算所述井孔周围的材料的
密度。
本发明通过允许在钻杆内部进行密度测井而克服与未装套管的井孔相关的问题。所
述测井是利用用于矿物勘探(例如铁矿石勘探)的铯-137源进行的。
如下文所描述，在具有及不具有钻杆两种情况下在同一孔的双重测井中执行一组运
行。根据下文所描述的实施例发现的恢复密度发现开放孔与钻杆套装的孔所测量的密度
之间的显著依附性。在现实世界测试中，发现所述依附性超过94％。
通过运行工具穿过钻杆，可能避免工具毁坏，且在一些实施例中，通过允许获得钻
杆内部跨过整个井孔的密度测井图而改进生产率及安全性。
操作因素
关于铁矿石地质钻孔操作论述本发明。然而，本发明不限于铁矿石地质钻孔，且其
它矿物勘探是可能的。举例来说，可借助下文所描述的技术相等地使用用于钴或镍的勘
探的操作。
在铁矿石地质钻孔操作中，岩石致密度为钻孔性能的决定性因素。岩石致密度与采
矿及由于岩石的致密或易碎特性进行的矿物处理的未来规划阶段相关联。易碎岩石比致
密岩石实现较大钻孔进展率且由于基于磨蚀的较大磨损而增加成本及执行时间。
从致密岩石到易碎岩石的过渡可为突然的，且呈现偶然发生特性，沿井孔偶然发生
一次或数次。所述过渡还可具有慢性特性，沿着同一井孔呈现较大频率变化。
由于每一岩性的致密度及粘合力，钻杆可在井孔壁中诱发碎裂。此碎裂针对具有较
小粘合力岩石的易碎岩性较大，且相反地针对致密且较大粘合力岩性较小。
具体来说，现在参考图1。图1展示用于钻井孔的钻杆110。井孔形成于易碎岩性
120及致密岩性130中。
如图1的实例中所看出，当穿过易碎岩性120钻井孔时，在钻杆周围发生显著碎裂。
相反地，在致密岩性130的情况下，碎裂为最小的。
由钻孔活动诱发的碎裂可在移除钻杆之后导致井孔壁的塌陷，从而造成可使得不可
能在所钻井孔的总深度内运行地球物理测井工具的孔锁定。此外，如果在地球物理测井
活动期间发生塌陷，那么其可致使地球物理工具在井孔中测井。
关于图2展示具有不良条件的井孔中的测井的实例。特定来说，在图2中，曲线图
200包含展示孔内的自然伽马辐射的伽马射线曲线图210。曲线图200进一步包含展示
读数的深度的深度图表212以及展示井孔的直径与井孔的标称直径的比较的卡尺曲线图
214。
在图2的实例中，曲线图214中的卡尺测量值展示相比于标称直径216，井孔的直
径变化。
关于上文图2所展示的条件提供地球物理测井活动的不确定条件。
此外，即使不存在孔锁定，易碎岩性形成孔壁的不规则性，其可诱发密度值的成比
例变化。此类变化可基于疏松材料或呈由于粗糙度引起的直径变化形式。
现在参考图3，其展示结果图形300。在图形300中，伽马射线曲线图310提供自
然伽马辐射。深度曲线图312提供做出读数所处的孔深度。密度曲线图312提供在孔处
在特定深度处读取的密度。卡尺曲线图316展示相比于标称孔直径318时的孔直径。
如由箭头320所看出，由于与由曲线图316所展示的孔直径的增加对应的孔扩大而
形成密度变化区域。
图2及3的曲线图可通过孔底工具(举例来说，例如图4中所展示的孔底工具)形成。
在操作中，伽马-伽马测井包含将测井探针引入到井孔中。工具配备有辐射源及(在
实践中)用于读取入射伽马粒子的每秒计数(CPS)的至少两个接收器传感器。所述两个传
感器与所述源相距不同但已知的间距。所述两个传感器用于确定岩石触点，所述岩石触
点受此些触点与每一传感器的接近度影响。
图4展示可下降到井孔402中的探针400的实例。探针400包含具有已知性质的伽
马辐射源410。举例来说，在一个实施例中，所述源可为铯-137。
在图4的实例中，探针400包含两个传感器，即短传感器412及长传感器414。源
410与短传感器412及长传感器414之间的间距为预定且已知的。然而，在其它实施例
中，两个以上传感器可用于探针400上。传感器412及414可为可检测来自源410的伽
马射线束且提供准确计数的任何适合传感器。
源410发出伽马射线束，如(举例来说)伽马射线束430及432所展示。在于井孔402
周围的材料内散射之后，各种伽马射线束可由短传感器412或长传感器414检测。
具体来说，伽马源410提供行进到周围材料中的伽马射线束。伽马射线束中的一些
射线束将偏转且被传感器412及414检测到，如束430及432所展示。
由于伽马粒子与地质材料之间的相互作用，由传感器412及414观测的计数相对于
直接从辐射源观测的计数衰减，且接着根据下文方程式1使所述计数与地质材料的密度
相关联。
N＝N0e-μρX(1)
在上文方程式1中，N是在传感器上检测的计数，N0是从所述源发出的直接计数，
μ是质量吸收系数，ρ是材料密度，且x是源-传感器距离。因此，依据方程式1，由于
μ、x及N0是已知的，因此可基于在传感器处接收的计数N计算密度。
已知方程式1中所涉及的参数，因此可能使材料中的密度值与传感器412及414中
的任一者或两者处的伽马粒子计数的值相关。
在一些实施例中，探针400可包含用以确定孔的直径的卡尺440。如所属领域的技
术人员将了解，孔直径可基于例如易碎材料变得松散等因素或由于压缩使孔的直径减小
而变化。此卡尺440可进一步迫使探针400与井孔402的壁接触。
在一个实施例中，利用通信缆线450将来自探针400的数据提供到地面的数据接收
器452。然而，其它选项是可能的，包含在操作期间将数据存储于探针400上且在稍后
时间将此数据传送到计算机以供处理。此外，在一些实施例中，探针400可包含一些处
理或预处理能力以允许在探针自身上进行质量控制筛选或识别。
数据接收器450可为具有调节数据的能力的计算机。在其它实施例中，数据接收器
450可仅记录数据以供在稍后时间处理。在第二选项中，另一计算机(未展示)可执行对
由探针400提供的数据的计算。
在操作中，可将探针400下降到井孔中且可在使所述工具升高时捕获数据读数。探
针的深度将通常基于工具下降机构知晓，且可基于自然发生的辐射进一步校准。可设置
探针的上升速率以确保对井孔402周围的材料的优质读取。
伽马-伽马测井在基于与暴露于伽马射线束的材料相互作用的粒子的性质的原理上
操作。材料的密度影响粒子束的相互作用。特定来说，材料越致密，粒子的相互作用越
高，且因此在接收器处接收到伽马辐射的越低计数。
现在参考图5，其展示表达密度与计数之间的关系的曲线图500。特定来说，如图5
中所看出，线510提供伽马计数随材料变得较致密而指数增加。
根据本文中所描述的实施例，提供用于具有易碎材料间隔的孔中的地球物理测井的
系统及过程。具体来说，所述系统及过程由在钻杆内部运行地球物理工具组成。在钻杆
内部运行所述工具确保在测井期间井孔壁的完整性且增强对井孔中的总所测井进尺的
后续记录的质量。
在钻杆内使用所述工具提供减小的丢失孔工具的风险及生产率增强，从而允许易碎
岩性中的地球物理测井具有类似于所述工具在致密岩性中的性能的性能。
为了在钻杆中运行工具，在一个实施例中，可在钻孔活动结束时但在移除钻杆之前
执行地球物理测井。在此情况下，杆地球物理剖面具有允许工具在规则表面上滑动的优
点，且还由于含有潜在塌陷而提供所测井进尺的较大开发，从而允许工具穿过整个孔。
在钻孔套管中运行工具进一步防止在测井操作期间由于塌陷导致的工具丢失。
然而，钻杆自身代表不确定性因素，这是因为钻杆的密度高于矿化所预期的密度范
围。因此，为了使得伽马-伽马工具能够运行，应理解并补偿由钻杆在密度测量中的影响
导致的效应。
在补偿的一个方面，预定辐射源(例如铯137)的使用可允许将校正调整到特定源计
数范围。尽管在本文中的实例中使用铯-137，但本发明不限于此源，且可相等地使用其
它源。举例来说，在一些实施例中，可使用钴60。
此外，在钻杆测井的情况下，上文关于图4所描述的采集形式开始通过地球物理测
井工具与岩石块之间的钻杆的存在来调节。现在参考图6。
如图6中所看出，伽马-伽马工具600仍包含相同源610以及传感器612及614。然
而，在图6的实施例中，将工具600下降到井孔602中在钻杆604内部。
因此，由传感器612及614接收的伽马射线630及632分别由钻杆自身来调节。
在一个实施例中，仍可使用卡尺640来迫使工具与钻杆604接触。然而，在其它实
施例中，当钻杆内部的直径为已知且均匀时，可省略卡尺640。
在图6的实施例中，钻塔660仍为工地的部分且可用于使工具下降及升高。此外，
数据测井装置(例如计算机650)可存在于地面处以捕获来自工具600的结果。
现在参考图7，其展示具有源710以及传感器712及714的工具的展开图。在图7
中，杆740存在于工具与岩石之间。因此，采集形式需要钻杆在两个方向上横越，具体
来说，从源穿过钻杆到岩石中且接着从岩石穿过钻杆到传感器。因此，如从图7所看出，
源与传感器之间的所考虑平均距离包含钻杆的不同分量，即钻杆密度以及等效于钻杆厚
度的长度。
因此，在采集期间伽马辐射的衰减现在具有两个不同分量，其中的一者为由上文方
程式1构造的岩石块且另一者涉及钻杆，其可由下文方程式2表示。
N
1
=
N
0
e
-
μρ
h
h
-
-
-
(
2
)
]]>
在上文方程式2中，N1是横跨杆的伽马辐射计数；N0是由源发出的辐射计数；μ是
质量吸收系数；ρh是钻杆密度且h是杆厚度。
考虑上文关于图7所显示的采集形式，可以不同密度区分两个范围。第一者是其密
度ρh与杆密度对应的关于杆厚度h的范围。另一者是其密度ρ对应于岩石块密度的关于
具有长度x的岩石壁的范围。现在参考图8。
如图8中所看出，工具具有源810以及传感器812及814。源辐射必须横跨钻杆820。
图8内的展开图展示钻杆具有厚度h及密度ρh，而岩石具有密度ρ，且源与短传感器之
间的距离标示为x。
在图8中，基于上文方程式1及2中所描述的伽马辐射的相对衰减，可能使到由从
源到传感器的伽马辐射覆盖的近似路径中的由于杆以及岩石块的存在所致的设计的不
同点中的不同API计数值相关。
依据上文方程式2，考虑N0是在源处的直接计数，由杆导致的衰减使计数减小到值
N1。在其中具有初始计数N1的伽马辐射变为N2的点处发生相同效应，N2计数穿过具有
密度ρ的岩石块行进距离x的粒子。
最后，传感器将记录密度ρ1，其是石头与杆密度之间的合成。此密度通过采集形式
来调节。
考虑图8，可针对钻杆内部的测量值进行密度校正。依据方程式1考虑由具有钻杆
的孔中的传感器读取的体积密度ρ1，产生方程式3。
ρ
1
=
-
ln
N
/
N
0
μx
-
-
-
(
3
)
]]>
因此，方程式3仅为方程式1，其中使用合成密度ρ1，且所述方程式经重新排列以
隔离出ρ1。
考虑关于图8所描述的采集形式，可关于辐射与钻杆的相互作用区分三个相互作用
步骤。第一步骤由上文方程式2描述。为通过具有密度ρ的体积形成缓解的伽马辐射
API计数的第二步骤产生下文方程式4。
N2＝N1e-μρx(4)
因此，方程式4仅为方程式1，针对在钻杆外部发生的相互作用。
计算中的第三步骤为其中N2计数将再次被杆减小的步骤，从而产生传感器处的N
体积计数。
方程式5涉及由传感器读取的ρ1体积密度。
N
=
N
2
e
-
μρ
1
h
-
-
-
(
5
)
]]>
如上文方程式5中所看出，其同样为方程式1的替代，针对密度ρ1使用从N2到N
的计数衰减。
将方程式2及4替代到方程式5中产生下文方程式6。
N
=
[
(
N
0
e
-
μρ
h
h
)
e
-
μρx
]
e
-
μρ
1
h
-
-
-
(
6
)
]]>
解出方程式6，此产生下文方程式7的简化。
N
=
N
0
e
-
μρx
e
-
μh
(
ρ
1
+
ρ
h
)
-
-
-
(
7
)
]]>
依据方程式7，如果隔离密度，那么产生产生方程式8。
-
ln
N
/
N
0
μx
=
ρ
+
h
(
ρ
1
+
ρ
h
)
/
x
-
-
-
(
8
)
]]>
如上文方程式8中所看出，项与上文方程式3中的项相同。因此，将方程式3置换
到方程式8中且隔离所需ρ密度产生方程式9。
ρ＝ρ1-h(ρ1+ρh)/x(9)
依据方程式9，ρ1是由传感器(例如短传感器)读取的密度，h是已知的，x是已知的，
且ρh是已知的。因此，可校正由传感器读取的密度以移除钻杆的效应且因此提供岩石的
密度。
依据上文方程式，基于传感器对源的已知几何结构、钻杆的密度及厚度，工具可穿
过钻杆且钻杆被补偿，借此产生钻杆后面的岩石的密度值。
钻孔中的测试结果确认校正结果。具体来说，为了检查校正方程式，使用工具的两
个遍历找出来自钻孔的数据。在第一次遍历中，利用钻杆运行工具，且在第二次遍历中，
移除钻杆且在不具有套管的孔中运行工具。
现在参考图9，其展示具有井孔的密度测量值的结果的图形900。结果是针对同一
井孔，其在具有钻杆的情况下有套管运行且在移除钻杆之后无套管运行。
针对装套管的井孔，展示表示岩石的密度测量值的线920。利用线930提供未装套
管的孔上的密度测量值的结果。
此外，可利用申请人的2014年5月5日提出申请的第61/988810号美国临时申请案
中所描述的技术校正开放(未装套管)孔的线930，所述申请案的内容以引用的方式并入
本文中。
由图9中的线940展示使用具有两个传感器的工具的未装套管运行的残差曲线图。
线940展示区950中的高残差。此高残差区可能是由(举例来说)在钻杆移除期间的壁塌
陷导致，而导致系统上较高的残差。
利用此残差数据，可产生考虑到残差的经校正线960。
依据图9，曲线图900提供经校正密度值与开放孔密度值之间的趋势，其中针对所
讨论的数据较高密度值增加且较低密度值减小而不显著影响残差值。因此，依据图9，
针对所讨论的孔，校正密度是有用的，这是因为其恢复了由于钻杆的存在而失真的体积
密度值的良好近似。
此外，在预存在的钻孔壁塌陷的情况下，此可通过经由分析在短间距及长间距传感
器上记录的密度测量值之间的差的迅速质量控制来检测。此因素与相关于较大所记录密
度值的残差的增加合作，从而展示可能提供其中校正更有效的置信范围。
考虑到伽马辐射衰减曲线包含图5中所显示的密度的增加，可针对校正对其强加位
移的密度测量值勾勒出置信范围，这是因为使用钻杆的测量遵循在应用校正之后保持的
相同API计数×密度关系。
因此，装套管的孔的测量值中所记录的高密度值周围的密度差暗示计数的细微差，
所述细微差可超出置信范围或API计数×密度关系。
类似地，迫使在装套管的孔中测量的非常低密度值在置信范围中，而岩石密度自身
可低于此范围。因此，针对例如沉积煤勘探环境中的密度的非常低密度，可存在与开放
孔密度测量值的所观测值相关的减小的置信范围。此外，针对大于例如铁矿石勘探的矿
物勘探中所发现的密度的非常高密度，可存在减小的置信范围。
除对伽马-伽马密度值的质量控制之外，作为控制措施，还可使用密度测井图与钻孔
的地质描述之间的相关以及常规密度数据及来自岩石物理扫描仪的数据。
因此，上文提供用以在钻杆内的伽马-伽马地球物理测井中使用的方法及工具，其包
含对钻杆的效应的校正。
在其上实施上文所描述的方法的计算装置可为任何计算装置。关于图10提供简化
计算装置的一个实例。
图10是可用于实施本文中所揭示的装置及方法的计算装置1000的框图。特定装置
可利用所有所展示的组件或仅所述组件的子组，且集成水平可从装置到装置变化。此外，
装置可含有一组件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器
等。计算装置1000可包括与具有一或多个输入/输出装置(例如扬声器、麦克风、鼠标、
触摸屏、小键盘、键盘、打印机、显示器及类似物)的用户接口1040相互作用的处理器
1010。
计算装置可包含一或多个处理器1010、存储器1020及连接到总线1030的通信子系
统1012。
总线1012可为包含存储器总线或存储器控制器、外围总线、视频总线或类似物的
任何类型的数种总线架构中的一或多者。处理器1010可包括任何类型的电子数据处理
器。存储器1020可包括任何类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动
态随机存取存储器(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、只读存储器(ROM)、其组合或类似
物。在一实施例中，存储器可包含供在启动时使用的ROM及用于程序及数据存储以供
在执行程序时使用的DRAM。
存储器1020可进一步包括经配置以存储数据、程序及其它信息且使数据、程序及
其它信息可经由总线存取的任何类型的存储装置。举例来说，存储器1020可包括固态
驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器及或类似物中的一或多者。
用户接口1040可用于将外部输入及输出装置耦合到处理单元。输入及输出装置的
实例包含耦合到视频适配器的显示器、耦合到I/O接口的鼠标/键盘/打印机。其它装置
可耦合到处理单元，且可利用额外或较少接口卡。举例来说，可使用串行接口(例如通用
串行总线(USB)(未展示))来提供用于打印机的接口，且可针对探针600数据提供输入。
计算装置1000还可为通信子系统1830，其可包括有线链路(例如以太网缆线或类似
物)及/或无线链路以接入节点或不同网络。此通信子系统1030将允许计算装置经由网络
与远程单元通信。举例来说，通信子系统1030可经由一或多个发射器/发射天线及一或
多个接收器/接收天线提供无线通信。在一实施例中，计算装置1000耦合到局域网或广
域网以进行数据处理及与远程装置(例如其它处理单元、因特网、远程存储设施或类似物)
的通信。
通过前述实施例的描述，可通过仅使用硬件或通过使用软件与硬件的组合而实施本
发明的教示。用于实施一或多个实施例的软件或其它计算机可执行指令或其一或多个部
分可存储于任何适合计算机可读存储媒体上。计算机可读存储媒体可为有形的或呈暂时
性/非暂时性媒体，例如光学(例如，CD、DVD、蓝光等)、磁性、硬盘、易失性或非易
失性、固态或本技术领域中已知的任何其它类型的存储媒体。
所属领域的技术人员将了解本发明的额外特征及优点。
本文中所描述及图中所展示的特定实施例的结构、特征、附件及替代方案打算大体
适用于本发明的全部教示，包含适用于目前本文中所描述及图解说明的全部实施例，这
是因为其为兼容的。换句话说，特定实施例的结构、特征、附件及替代方案不打算限于
仅所述特定实施例，除非如此指示。
此外，先前详细描述经提供以使得所属领域的技术人员能够做出或使用根据本发明
的一或多个实施例。所属领域的技术人员将容易地了解这些实施例的各种修改，且在本
文中所定义的通用原理可在不背离本文中所提供的本发明的精神或范围的情况下应用
于其它实施例。因此，本发明方法、系统及装置不打算限于本文中所揭示的实施例。权
利要求书的范围不应受这些实施例限制，而是应作为整体被赋予与本描述一致的最广泛
解译。对呈单数形式的元件的参考(例如通过使用冠词“一(a或an)”)不打算意指“一个
且仅一个”而非“一或多个”，除非具体如此陈述。所属领域的技术人员已知的或后来
知晓的在本发明通篇描述的各种实施例的要素的所有结构及功能等效物打算由权利要
求书的要素涵盖。
此外，本文中的内容均不打算作为对现有技术或常用一般知识的承认。此外，本申
请案中对任何文献的引证或识别并非对此文献可用作现有技术或任何参考均形成本技
术领域中的常用一般知识的一部分的承认。此外，本文中所揭示的内容均不打算专用于
公众，无论此揭示内容是否明确陈述于权利要求书中。