可起出的地下核测井系统.pdf

一种系统和方法，其采用了可在其内孔中容纳插入工具的细长子组件主体。插入工具包括核源和传感器，以便在起出时提供核的地层评估。核源和传感器与子组件中的部分或完全透过的窗口对齐，以便经由子组件来进行测量。子组件壁包括内部通道，其可将从子组件内发出的辐射能量引回到子组件的内孔中，从而使插入工具在子组件内对准。子组件还包括处于其壁中的完全透过的开口，以便提供贯穿管件的信号通道。通过压力屏障结构来在子组件的开口处提供液体密封。插入工具的结构还包括天线、中子和γ射线源/传感器，以提供可起出的三段重合式系统。

1.  一种用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的系统，包括：
具有细长主体的子组件，所述主体具有管壁和内孔，所述子组件可放置到所述井筒中；
可放置到所述子组件的内孔中的插入工具；和
所述插入工具具有设于其上的至少一个辐射源或至少一个辐射传感器；
其中，所述子组件的壁包括内部通道，其可将从子组件中发出的辐射能量引回到所述子组件的内孔中。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个辐射源是中子源或γ射线源中的一个。

3.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当将所述插入工具置于所述子组件的内孔中时，所述插入工具上的至少一个辐射传感器处于所述子组件的壁中的所述内部通道的附近。

4.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当将所述子组件放入到所述井筒中时，所述插入工具可从所述子组件的内孔中起出。

5.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述子组件包括接收装置，当将所述插入工具置于所述子组件中时，所述接收装置可使所述插入工具在所述内孔中偏心。

6.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述子组件还包括至少一个从其外周边处向外延伸的叶片。

7.  根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可将从子组件中发出的辐射能量引回到所述子组件的内孔中的所述内部通道位于所述至少一个叶片中。

8.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述子组件还包括至少一个形成于其壁上的部分透过的窗口。

9.  根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述子组件还包括至少一个从其外周边处向外延伸的叶片，其中所述至少一个部分透过的窗口位于所述至少一个叶片中。

10.  根据权利要求8所述的系统，其特征在于，当将所述插入工具置于所述子组件内时，所述插入工具上的辐射源或辐射传感器处于所述子组件上的所述至少一个部分透过的窗口附近。

11.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述插入工具还包括至少一个可发送或接收电磁能量的天线。

12.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述子组件还包括至少一个沿所述管壁形成的完全透过的开口，以及在所述至少一个完全透过的开口处在所述管壁的内部和外部之间提供压力屏障的装置。

13.  根据权利要求12所述的系统，其特征在于，当将所述插入工具置于所述子组件内时，所述插入工具上的辐射源或辐射传感器处于沿所述子组件的壁形成的所述至少一个完全透过的开口附近。

14.  一种用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的系统，包括：
具有细长主体的子组件，所述主体具有管壁和内孔，所述子组件可放置到所述井筒中；
所述子组件包括沿所述管壁设置的至少一个完全透过的开口和至少一个部分透过的窗口；
所述子组件包括位于所述至少一个完全透过的开口处并处于所述管壁的内部和外部之间的压力屏障结构；
可放置到所述子组件的内孔中的插入工具；
所述插入工具包括至少一个辐射源或至少一个辐射传感器；
其中，当将所述插入工具置于所述子组件内时，所述插入工具上的至少一个辐射源或至少一个辐射传感器处于所述子组件上的部分透过的窗口附近；和
所述子组件的壁包括内部通道，其可将从子组件中发出的辐射能量引回到所述子组件的内孔中。

15.  一种用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的方法，包括：
(a)将子组件放入到井筒中，所述子组件具有带管壁和内孔的细长主体，所述子组件的壁包括内部通道，其可将从所述子组件中发出的辐射能量引回到所述子组件的内孔中；
(b)将所述插入工具放入到所述子组件的内孔中，所述工具具有设于其上的至少一个辐射源和至少一个辐射传感器；
(c)从所述插入工具上的所述至少一个辐射源中发出辐射能量到地层中；和
(d)利用所述插入工具上的所述至少一个辐射传感器来检测辐射能量，以便测定地层特性。

16.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括在将所述子组件放入到所述地层中之前将所述插入工具放入到所述子组件的内孔中。

17.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括在将所述子组件放入到所述地层中时经所述井筒传送所述插入工具以将其放入到所述子组件的内孔中。

18.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括使所述插入工具在所述子组件的内孔中偏心。

19.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括在所述子组件沿所述井筒运动时利用所述至少一个辐射传感器来检测所述辐射能量。

20.  根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括使所述子组件在所述井筒内旋转。

21.  根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所检测到的辐射能量与所述井筒的方位角部段联系起来。

22.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括通过检测从所述子组件壁中的所述内部通道中通过的辐射能量来确定所述插入工具在所述子组件的内孔中的对准。

23.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述子组件包括至少一个形成于其壁中的部分透过的窗口。

24.  根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括将所述插入工具定位在所述子组件的内孔中，使得所述至少一个辐射源或至少一个辐射传感器位于所述至少一个部分透过的窗口附近。

25.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述子组件包括至少一个沿其壁形成的完全透过的窗口。

26.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括将所述插入工具定位在所述子组件的内孔中，使得所述至少一个辐射源或至少一个辐射传感器位于所述子组件壁上的至少一个完全透过的开口附近。

可起出的地下核测井系统
技术领域
本申请是于2003年1月30日提交的美国专利申请No.10/355599的继续部分，上述专利申请是于2000年5月22日提交的美国专利申请No.09/576271的分案申请。
本发明大体上涉及地下地层的勘测，更具体地涉及采用装有辐射源并能够传送到井下管件中且从中起出的井筒工具来测定地层特性的技术。
背景技术
电阻率和γ射线测井是在测井中最普遍使用的两种地层评估测量。这种测量用于定位和评估地下地层中的可能含烃区域的特性。在许多井中只进行这两种测量，尤其是在低价值井和更高价值的井的地面和中间部分中。
这些测井技术可以不同的方式来实现。可将包括有许多用于测量各种参数的发送和检测装置的测井工具系在电缆或绳索的端部而放下到井筒中。连接在地面处的某些类型的移动处理中心上的电缆是一种通过它可将参数数据向上送到地面中的装置。通过这种类型的电缆测井，就可以在沿井身向上拉动工具时测量作为深度的函数的井筒和地层参数。
在钻进时间包括在总成本内时可以不对一些井进行测井，这是因为电缆测井太昂贵了。调整测量井的状况以进行电缆测井、安装绳索起下工具以及用于放下和提升绳索起下工具的时间都需要钻进时间。对于使用绳索起下工具来说，水平的或偏斜的井也存在增加的成本和困难。
电缆测井技术的一种替代是在钻井过程中采集关于井下条件的数据。通过在钻井过程中采集和处理这种信息，钻井人员就可修改或更正操作的关键步骤以对作业进行优化。已经知道，用于在钻井过程中采集井下条件的数据和钻探组件的运动的方法为随钻测量(MWD)技术。与之类似但更加集中在测量地层参数而非钻探组件的运动上的技术称为随钻测井(LWD)。如同电缆测井一样，使用LWD和MWD工具因设备和相关服务的成本而可能是不合算的，这是因为工具在整个钻井时间内均处于井眼中。
随起下测井(logging while tripping；LWT)提供了一种作为LWD和MWD技术的替代的成本效率高的技术。在LWT中，在钻头行程的最后在刚要拉起钻杆之前，将小直径的“插入”工具经钻杆送到井下。插入工具用于在将钻杆柱从井筒中抽出或起出时测量井下的物理量。在起出期间将测量数据按时间顺序记录到工具的存储器中。在地面处，第二组设备记录起出期间的钻头深度与时间的关系，这使得该测量是按照深度来进行的。
美国专利No.5589825介绍了一种LWT技术，其包括可通过钻杆柱而运动并进入到钻井子组件中的测井工具。该’825专利介绍了一种结合有窗口机构的子组件，其允许在所容纳的测井工具和井筒之间进行信号通信。该窗口机构可在打开和关闭位置之间操作。这种所提出的装置的一个缺点是，该敞开窗口式的机构将测井工具直接暴露在起伏不平且易造成磨损的井筒环境中，在这里地层钻屑很可能损坏测井工具并堵塞窗口机构。井下条件在更深处逐渐地变得更加恶劣。在5000到8000米的深度处，经常会遇到井底温度为260℃以及压力为170MPa的情况。这加剧了外部或暴露出的测井工具部件的损坏。因此，敞开窗口式的结构无法用于这些情况。
英国专利申请GB2337546A介绍了一种结合于钻铤内以允许电磁能量通过以便在钻井操作期间供测量使用的复合结构。该’546申请介绍了一种具有空隙或凹腔的钻铤，在空隙或凹腔中嵌入有复合材料外罩。该’546申请所提出的装置的一个缺点是使用了复合材料来作为钻铤的一个整体部分。疲劳载荷(即钻杆的弯曲和旋转)成为钻井操作中的一个问题。当钻杆承受弯曲或扭转时，空隙或凹腔的形状发生变化，导致了应力失效和密封效果变差。很难合适地处理金属和复合材料外罩之间的材料性能的差异，而例如如该’546申请所述，要求复合材料和金属能够如单体一样地机械式动作。因此，在钻井操作中所遇到的极端应力和载荷下增大的失效趋势使得无法应用所介绍地结构。
美国专利No.5988300和No.5944124介绍了一种适用于钻杆柱的复合管结构。该’300和’124专利介绍了一种分段式结构，其包括用端部安装件装配起来的复合管，以及用端部安装件与管相连的外罩。除了制造成本较高之外，该结构的另一缺点是多部件式组件很容易在钻井操作中所遇到的极端应力下失效。
美国专利No.5939885介绍了一种测井装置，其包括安装有环形天线并容纳于开有槽的钻铤内的安装件。然而，该装置并不是设计用于LWT操作。美国专利No.4041780和No.4047430介绍了一种测井仪，其可被向下泵送到钻杆中以获取测井样本。然而，该’780和’430专利所提出的系统要求在开始进行测井之前将整个钻杆柱抽出(以取下钻头)。因此，对许多操作来说，实现这种所介绍的系统是不切实际的，并且其成本效率较低。
美国专利No.5560437介绍了一种用于获得井底参数测量的遥测方法和装置。该’437专利介绍了一种可发射到钻杆柱内的测井探针。该测井探针在其一端包括传感器，其通过特定钻头中的开口而定位在钻杆柱的端部处。这样，传感器就可直接通到所钻的井筒中。该’437专利所提出的装置的缺点是传感器直接暴露在井下会遇到的破坏性条件下。对电阻率测井来说，也无法使用经由较小开口而伸出的小探针。
美国专利No.4914637介绍了一种适于从地面经钻杆柱到达管道中的所需位置的井下工具。工具上的调制器将所采集的信号数据发送到地面。美国专利No.5050675(已转让给本发明的受让人)介绍了一种射孔装置，其包括电感耦合器结构以供在地面和井下工具之间进行信号通信。美国专利No.5455573介绍了一种用于同轴地设置的井下工具的电感耦合装置。还已提出了利用开槽管件的井下技术。美国专利No.5372208介绍了使用作为钻杆柱的一部分的开槽管件来在钻井过程中对地下水进行采样。然而，这些所提出的系统中没有一种涉及到贯穿管道的测量或信号传送。
虽然在市场上已经提出了结合有中子和γ射线测量的LWT技术，然而这些设计并未为地层评估进行优化。仍然希望得到一种用于定位和评估地下地层中的可能含烃区域的特性的简单、可靠且可起出的辐射源系统。
发明内容
本发明提供了一种用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的系统。该系统包括：具有细长主体的子组件，该主体具有管壁和内孔，子组件可放置到井筒中；可放置到子组件的内孔中的插入工具；并且所述插入工具具有设于其上的至少一个辐射源或至少一个辐射传感器；其中，子组件的壁包括内部通道，其可将从子组件中发出的辐射能量引回到子组件的内孔中。
本发明提供了一种用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的系统。该系统包括：具有细长主体的子组件，该主体具有管壁和内孔，子组件可放置到井筒中；所述子组件包括沿管壁设置的至少一个完全透过的开口和至少一个部分透过的窗口；所述子组件包括位于至少一个完全透过的开口处并处于管壁的内部和外部之间的压力屏障结构；可放置到子组件的内孔中的插入工具；所述插入工具包括至少一个辐射源或至少一个辐射传感器；其中，当将所述工具放入到子组件中时，插入工具上的至少一个辐射源或至少一个辐射传感器位于子组件上的部分透过的窗口附近；子组件的壁包括内部通道，其可将从子组件中发出的辐射能量引回到子组件的内孔中。
本发明提供了一种用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的方法。该方法包括：将子组件放入到井筒中，该子组件具有带管壁和内孔的细长主体，子组件的壁包括内部通道，其可将从子组件中发出的辐射能量引回到子组件的内孔中；将插入工具放入到子组件的内孔中，所述工具具有设于其上的至少一个辐射源和至少一个辐射传感器；从插入工具上的至少一个辐射源中发出辐射能量到地层中；并且利用插入工具上的至少一个辐射传感器来检测辐射能量，以便测定地层特性。
附图说明
在阅读了下述详细介绍并参考了附图之后，可以清楚本发明的其它方面和优点，在附图中：
图1是根据本发明的插入工具的示意图。
图2a是根据本发明的插入工具的剖视图，显示了带有相关布线和通道的天线。
图2b是根据本发明的围绕在插入工具上的天线周围的屏蔽结构的示意图。
图3是根据本发明的带有开槽部段的管件的示意图。
图4a和4b是根据本发明的接合于管件内的插入工具的示意图。
图5图解性地显示了本发明的管件区段的槽尺寸和所通过的电磁能量的衰减之间的关系。
图6是根据本发明的具有定心器结构的插入工具的示意图。
图7a和7a-1是根据本发明的具有压力屏障结构的管件的剖视图。
图7b是图7a所示的三槽式管件沿线A-A的剖视图。
图8a是根据本发明的具有另一压力屏障结构的管件的剖视图。
图8b是图8a所示的三槽式管件沿线B-B的剖视图。
图9a是根据本发明的定位成与压力屏障结构对齐的插入工具的剖视图。
图9b是图9a所示的插入工具和压力屏障结构的顶视图。
图10是根据本发明的压力屏障和管件结构的剖视图。
图11是根据本发明的带有镶件、密封件和定位套筒的开槽管件的剖视图。
图12a和图12b-1到12b-3是根据本发明的带有锥形槽和相应的锥形镶件的开槽管件部段的剖视图和局部剖开的透视图。
图13a是根据本发明的偏心地设于管件内的插入工具和天线的示意图。
图13b和13c是根据本发明的被聚焦屏蔽件所包围的插入工具和天线的示意图，它们分别显示了屏蔽件对磁场和电场所产生的影响。
图14是根据本发明的形成于管件的孔内的屏蔽结构的顶视图。
图15是根据本发明的由插入工具内的凹腔所形成的屏蔽结构的示意图。
图16是根据本发明的包括有接合于管件内的调制器的插入工具的示意图。
图17是根据本发明的图16所示插入工具的结构的示意图，其用于与遥控井下工具进行实时的无线通信。
图18是根据本发明的插入工具结构的示意图，其用于采用磁共振技术来进行孔隙度测量。
图19a和19b是根据本发明的管件内的插入工具的天线结构的示意图。
图20显示了根据本发明的具有电感耦合器的管件和插入工具结构的示意图。
图21a和21b显示了根据本发明的具有电感耦合器的偏心插入工具和管件的顶视图和示意图。
图22a和22b是根据本发明的处于插入工具和管件内的电感耦合器结构的示意图。
图23是根据本发明的安装在管件内的电感耦合器和屏蔽结构的剖视图。
图24是根据本发明的简化的电感耦合器电路的示意图。
图25是显示了根据本发明的用于经地层来发送和/或接收信号的方法的流程图。
图26是显示了根据本发明的用于测量井筒周围的地层特性的方法的流程图。
图27是显示了根据本发明的用于对管件表面上的开口进行密封的方法的流程图。
图28是显示了根据本发明的用于对管件表面上的完全透过的开口进行密封的方法的流程图。
图29是根据本发明的装有辐射源/传感器并接合于管件内的插入工具的示意图。
图30是显示了图29所示的插入工具和管件的一部分的纵向剖视图。
图31是显示了置于管件内的图30所示插入工具的横向剖视图。
图32是根据本发明的装有位置敏感辐射传感器并接合于管件内的插入工具的示意图。
图33a到33e图解性地显示了根据本发明的采用图32所示位置敏感传感器的导出函数和用于测量校准的导出比率。
图34是显示了根据本发明的用于测定地下信息的特性的方法的流程图。
具体实施方式
为清楚起见，在本说明书中并未介绍实际实施方式所有特征。可以理解，虽然任何这种实际实施方式的扩展可能是复杂且耗时的，然而本领域的普通技术人员在领会了本公开的优点之后可以容易地进行这种工作。
本发明的装置包括两个主要部分，即插入工具(RIT)和钻铤。在下文中将钻铤称为子组件。
RIT。图1显示了本发明的RIT10的一个实施例。RIT10是细长的、小直径的金属心轴，其可包括一个或多个天线12、辐射源、传感器(在这里传感器/检测器是可互换地使用的用语)、磁体、γ射线检测器/发生器组件、中子发生/检测组件、各种电子部件、电池、井底资料处理机、时钟、读出端口和记录存储器(未示出)。
并不要求RIT10具备如钻铤那样的机械性能。因此，它的机械约束显著地降低。RIT10在其底端具有着地机构(导向头)14，在其顶端具有打捞头16。打捞头16允许捕获RIT10，并通过使用传统的抽提工具来从子组件内起出，传统的抽提工具例如为在美国专利No.5278550(已转让给本发明的受让人)中所介绍的。可打捞的RIT10组件的一个优点是降低了在井内丢失的成本。
如图2a所示，RIT10上的各天线12的结构包括密封在纤维玻璃-环氧树脂18内的多圈线环，纤维玻璃-环氧树脂18安装在RIT10的耐压外壳的槽中并被橡胶的重叠模制件20所密封。旁路22为天线12的布线提供了通道，其通向RIT10内的内孔24中。如同现有技术所知的那样，可激励各天线12以接收或发送电磁(EM)信号。
天线12辐射出方位角电场。各天线12最好被不锈钢屏蔽件26包围(与在美国专利No.4949045中所介绍的类似，此专利已转让给本发明的受让人)，该屏蔽件26具有一个或多个设置在屏蔽件26的圆周上的轴向槽28。图2b显示了分布在屏蔽件26的周向上的轴向槽28。屏蔽件26在轴向端部处短路到RIT10的金属主体中。这些屏蔽件26允许横向电(TE)辐射经其而传播，同时能阻挡横向磁(TM)辐射和横向电磁(TEM)辐射。屏蔽件26还可保护天线12不受外部损伤。RIT10的电子部件和传感器的体系结构与在美国专利No.4899112(已转让给本发明的受让人)中所介绍的类似。
子组件。图3显示了本发明的子组件30的一个实施例。子组件30具有带管壁和中心孔32的细长主体。子组件30既不包括电子部件，也不包括传感器，并且优选是完全金属的，最好是不锈钢形成。它可形成普通井底组件(BHA)的一部分，并可与钻杆柱一起置于井孔内以供在钻头行程期间中使用。子组件30在其各端部(未示出)处具有普通螺纹的油井接头(阴螺纹-阳螺纹接头)。
子组件30包括一个或多个部段36，其带有沿管壁设置的一个或多个轴向槽38。各细长轴向槽38完全地穿过子组件30的管壁，并最好形成有完全倒圆的端部。应力模型已经表明，可在子组件30的壁中形成很长的槽38，同时仍可保持子组件30的结构完整性。可在子组件30的外径上的远离槽38的区域内增设去应力沟槽40，以便降低槽38上的弯矩。
各槽38均提供了用于使电磁能量从子组件30中通过的连续通道。槽38阻挡了TM辐射，但它可允许TE辐射通过，虽然存在着一些衰减。由子组件30所引起的TE场的衰减程度取决于下述因素，例如频率、槽的数量、槽宽、槽的长度、钻铤的外径和内径，以及RIT10的天线的位置和尺寸。例如，图5显示了在400千赫兹、以子组件30为中心的25圈且直径为1.75英寸的线圈、子组件30为3.55英寸的内径和6.75英寸的外径并带有一个或两个不同长度和宽度的槽38的情况下测量的子组件10的衰减。从图5中可以清楚，增设更多的槽38并使槽更长或更宽可降低衰减。然而，在只设有一个或两个0.5英寸宽和6-8英寸长的槽38的情况下，子组件30的衰减已经达到～15分贝，这对许多应用来说已足够低。
在操作中，在钻头运行的最后将RIT10泵送下去或通过钻杆柱系在电缆上而放下，并接合于子组件30内。RIT10由处于子组件30的中心孔32内的着地“管鞋”42来接受，如图4a所示。图4b显示了RIT10如何定位于子组件30内以使各天线12、辐射源或传感器与子组件30中的槽38对齐。着地管鞋42最好还可产生锁定动作，用于在RIT10接合于子组件30内时防止RIT10产生任何轴向运动。
来看图6，本发明的一个实施例包括定心器44，其用于使RIT10在子组件30内保持定心和稳定，降低冲击水平，并减少工具运动对测量的影响。可在中心孔32内安装一个或多个定心器44，以限制RIT10并使其不会与子组件30的内径相撞。还可安装一个或多个弹簧片46并使之从定心器44上延伸出，以便为RIT10提供定位的稳定性。当RIT10接合于子组件30内时，弹簧片46被压在RIT10上。可采用带有O形密封圈50的螺栓48来将定心器44固定在子组件30内，同时在子组件30的内径和外径之间保持压力屏障。
或者，定心器44可安装在RIT10上而不是子组件30上(见图16)。在这种情况下，定心器44可构造成在下钻期间保持在收回模式，并在RIT10到达子组件30处时打开。可以理解，本发明也可采用如本领域已知的其它定心器44的结构。
RIT10和子组件30具有与同轴电缆类似的EM特性，其中RIT10用作同轴电缆的内导体，而子组件30用作其外导体。如果钻出泥浆是导电的，那么该“同轴电缆”存在损耗。如果钻出泥浆是油基的，那么该“同轴电缆”具有非常小的衰减。在子组件30内的接收器-接收器或发送器-接收器之间可能会产生寄生天线12的耦合。如上所述，围绕着天线12的屏蔽件26接地到RIT10的心轴上，以降低它们之间的电容和TEM耦合。对天线12进行电平衡还可抑制TEM耦合。定心器44还可用作接触装置，以便在RIT10和子组件30之间提供射频(RF)短路，从而防止寄生耦合。例如，可在定心器44上安装带有尖齿的小轮形件(未示出)，以便在RIT10和子组件30之间保证硬短路(hardshort)。
压力屏障。由于各槽38完全地穿过子组件30的壁，因此采用绝缘的压力屏障结构来保持子组件30的内部和外部之间的压力差，并保持液力完整性。存在着多种方法来在开槽部段36处在子组件30的内径和外径之间形成压力屏障。
来看图7a，图中显示了本发明的具有压力屏障结构的子组件30的一个实施例。在子组件30的中心孔32内与槽38对齐地设置了圆柱形套筒52。套筒52由能够透过EM能量的材料形成。可使用的材料包括在美国专利No.4320224中所介绍的聚醚酮一类，或者其它适当的树脂。位于宾夕法尼亚州的West Chester的Victrex USA，Inc.生产了一种称为PEEK的树脂。另一种可用的化合物称为PEK。Cytec Fiberite，Greene Tweed和BASF公司销售了其它适当的热塑性树脂材料。另一种可用的材料是由位于科罗拉多州的Golden的Coors Ceramics公司生产的正方晶相氧化锆陶瓷(TZP)。本领域的技术人员可以理解，这些和其它材料可组合起来以形成可用的套筒52。
PEK和PEEK可承受较大的压力载荷并已用于恶劣的井下条件中。陶瓷可承受很高的载荷，但它们并不特别耐冲击。也可采用缠绕的PEEK或PEK和玻璃、石墨或凯夫拉尔纤维的组合物来提高套筒52的强度。
在中心孔32内包括有挡环54和隔件56，用于支撑套筒52并提供相对于槽38的移动和对准。套筒52处于挡环54和隔件56之间，挡环54和隔件56形成为中空的圆柱体，以便同轴地安装在中心孔32内。这两者均最好由不锈钢制成。挡环54在其一端与套筒52相连，且套筒52同轴地安装在挡环54内。在操作期间子组件30的内径内的差压增加时，套筒52承受了载荷，将子组件30与开槽区域内的压力隔离开。通过O形密封圈53来在套筒52和挡环54之间的连接处保持液力完整性。采用装配“键”55来使套筒52与挡环54接合，防止它们中的一个相对另一个旋转(见图7a的放大视图7a-1)。分度销57安装成穿过子组件30并与挡环54的自由端相接合，以防止挡环在子组件30的孔32内旋转。在挡环54的外径上的槽中也设有O形密封圈59，以便在挡环54和子组件30之间提供液体密封。
在操作中，内部套筒52可能因较高的井下温度而产生轴向的热膨胀。因此，最好使套筒52能够在承受这些变化时可进行轴向运动，以便防止发生弯折。隔件56包括处于外圆柱体62内的内圆柱体60。处于内圆柱体60外径上的一端处的弹簧64提供了克服外部圆柱体62的轴向力(类似于汽车减震器)。外圆柱体62在连接处采用键55和O形密封圈53与套筒52相连，如上述介绍并如图7a的放大视图图7a-1所示。弹簧加载的隔件56用于应付部件的不同热膨胀。图7a所示实施例的子组件30显示为通过螺纹式油井接头70与其它管件相连。
为说明起见，在图7a中显示了只具有一个槽38的子组件30。其它实施例可包括以所述方式相互连接在一起的若干个套筒52(未示出)，以便在多个开槽部段36上提供单独的压力屏障。在这种结构中，在整个开槽部段上只采用了两个O形密封圈53来密封子组件30的内径。这就最大限度地降低了与在装配或维修期间将O形密封圈53从槽38中拖出来有关的危险。图7b显示了具有三个槽38的结构的子组件30的剖视图(沿图7a中的线A-A)。
图8a显示了本发明的具有压力屏障结构的子组件30的另一实施例。在这个实施例中，弹簧加载的隔件56使外圆柱体62保持压靠在套筒52上，O形密封圈68置于套筒52的外径上的沟槽中，最好是处于槽38的两端。挡环54在一端处靠在形成于中心孔32的壁上的台肩或突出部58上。图8b显示了具有三个槽38的结构的子组件30的剖视图(沿图8a中的线B-B)。
在本发明的压力屏障结构的另一实施例中，可将由PEEK或PEK、玻璃、石墨或填充有凯夫拉尔纤维的这些材料所制成的套筒52粘合在金属镶件(未示出)上，其中该镶件包括O形密封圈以如上所述地密封子组件30。金属镶件可如上所述地安装在子组件30内，或使用紧固装置或锁定销(未示出)来安装。套筒材料还可模制或卷绕在支撑镶件上。外覆材料中的纤维也可对齐以提供额外的强度。
图9a显示了本发明的压力屏障结构的另一实施例。在这个实施例中，圆柱形套筒52通过金属挡环72与槽38保持对齐。挡环72可形成为单件，并带有切出的适当槽74以供信号通过，如图所示，或者形成为可在顶部和底部处支撑套筒52的单独的部件(未示出)。可通过本领域内已知的多种装置中的任一种来限制挡环72在子组件30内的轴向运动或旋转，这些装置包括分度销机构或键式锁紧螺母装置(未示出)。在槽38中还可填充保护性镶件，其将在下文中详细介绍。在操作中，RIT10处于子组件30内，使得天线12与槽38对齐。
如图9b所示，挡环72形成为使其延伸到子组件30的内径中并使内径减小，以便限制RIT10。泥浆通过挡环72中的若干通道或开口76以及RIT10和挡环72之间的环形通道78而流动。挡环72实际上用作定心器，以便使RIT10稳定下来并使其不会撞击子组件30的内径，降低冲击水平和提高可靠性。
图10显示了本发明的压力屏障结构的另一实施例。子组件30可形成为具有工厂预制接头80，使得套筒52可插入到中心孔32内。套筒52如上所述地形成，并采用处于套筒52的外径两端处的沟槽内的O形密封圈82来提供液体密封。通过形成于双件式子组件30的一端上的凸缘84以及相配合的子组件30接头的端部，就可限制套筒52在中心孔32内的轴向运动。由于套筒52安放成与子组件30内径上的凹腔86平齐，因此这种结构允许大直径的RIT10不受限制地通过。这一结构还使得能够容易地接触到套筒52和槽38，以进行维修和检查。
来看图11，图中显示了本发明的压力屏障结构的另一实施例。子组件30中的槽38具有三个台阶，并最好具有完全倒圆的端部。其中一个台阶提供了用于镶件92的支撑台肩90，其它两个表面形成了用于O形密封圈槽94以及镶件92的几何形状。改进的O形密封圈包括在适当的台阶处围绕镶件92展开的O形密封圈96，并且在O形密封圈96的两侧上设有金属件98。金属件98最好为封闭环的形式。
套筒52可通过一个或多个O形密封圈(未示出)而安装在子组件30内，以便如上所述地提高液力完整性。如图11所示，套筒52还可具有透过其壁的槽100，以便为任何输入或输出信号提供无障碍的通道。套筒52可为子组件30中的每一个槽38设置一个相配合的槽100。
镶件92和套筒52最好由如上所述的介电材料制成，以便允许EM能量通过。然而，如果套筒52设有槽100，那么套筒52可由任何适当的材料形成。
如果套筒52设有槽100，子组件30的内部压力可将镶件92向外推动。支撑台肩90将承受这一载荷。在内部压力升高时，O形密封圈96推动金属件98而靠在挤压间隙上，这可有效地堵住该间隙。结果，不存在使O形密封圈96挤出的空间。由于金属比O形密封圈的材料硬得多，它根本就不会挤出。因此，这种改进的几何形状形成了这样的情况，即软的零件(O形密封圈)提供了密封，而硬的零件(金属环)可防止挤出，这是理想的密封状况。在压力反向时，套筒52使镶件92套在槽38中，防止了镶件92移动。
本发明也可采用其它的压力屏障结构。一种方法是采用若干单独的套筒52，其通过其它定位结构相连并被压差密封或锁紧螺母装置(未示出)固定住。另一方法是采用长套筒52以跨在多个开槽部段38(未示出)上。另外一种方法是使用在开槽区域上固定于子组件30的外径上的套筒52，或者使用内部和外部套筒52的组合(未示出)。
槽镶件。虽然本发明的开槽部段在带有完全敞开和无堵塞的槽38的情况下是有效的，然而通过防止碎屑和流体进入并腐蚀槽38和绝缘套筒52，可以延长组件的使用寿命。可在槽38中填充橡胶、环氧树脂-玻璃纤维化合物或其它适当的填料，以便阻挡流体和碎屑但同时允许信号通过。
在图12a中显示了带有锥形槽38的子组件30的实施例。槽38为锥形，使得外部开口W1比内部开口W2更窄，如图12b所示。在锥形槽38内插入了绝缘材料(如玻璃纤维环氧树脂)的锥形楔块88。楔块88可通过橡胶粘合到子组件30中。橡胶层包围了楔块88并将其粘合到子组件30中。也可在子组件30的内和/或外表面上模制出橡胶环件，以便将楔块88密封在槽38内。
聚焦屏蔽结构。对由简单环形天线12产生的TE辐射经由合适尺寸的单个槽38而发生的衰减所进行的测量显示出，TE场显著地减弱。然而，通过在天线12周围使用屏蔽件以将EM场聚焦在槽38中，可以降低这一衰减。
来看图13a，将由绕在直径为1.75英寸的线轴上的25圈导线构成的天线12安装在直径为1英寸的金属RIT10上，并将其完全径向偏心地置于内径为3.55英寸、外径为6.75英寸的子组件30的孔中，并且使其靠在槽38上且在槽38上垂直地对中。25kHz-2MHz之间的TE场的测量衰减为几乎稳定的16.5分贝。
来看图13b，采用处于由金属管形成的薄屏蔽件102内的天线12来进行相同的测量，该金属管具有与子组件30中的槽38对齐的0.5英寸宽、6英寸长的槽104(未示出)。天线12置于子组件30中并完全被屏蔽件102所包围，但在开口槽104处例外。
该组件在同一子组件30内的衰减为11.8分贝，衰减的降低接近5分贝。图13b和13c分别显示了屏蔽件102如何影响磁场和电场。仅由该屏蔽件102所引起的衰减非常小。
图14显示了本发明的屏蔽结构的另一实施例。在此实施例中，子组件30的中心孔32构造成具有支架结构106，在RIT10接合于子组件30内时支架结构106围绕着天线12，从而用作聚焦屏蔽件。
图15显示了本发明的屏蔽结构的另一实施例。RIT10的心轴在其主体上具有机加工出的凹穴或凹腔108。缠绕在线轴110上的由介电材料制成的环形天线12安装于凹腔108内。可采用铁氧体棒来代替介电线轴110。在此结构中，RIT10自身的主体用作聚焦屏蔽件。通过用玻璃纤维-环氧树脂、橡胶或其它适当的物质来封住天线12，从而保持RIT10的液力完整性。对以与上述相同的方式安装在同一子组件30中的这一组件测量这种在直径为0.875英寸的线轴上缠绕了200圈的环形天线12的衰减。所测出的衰减仅为～7分贝。本领域的技术人员可以理解，也可在RIT10的凹腔108中容纳其它类型的辐射源/传感器。
RIT/子组件结构。图16显示了本发明的另一实施例。本发明的子组件30与形成了钻杆柱的一部分的另一管件111相连。RIT10包括天线12、处于下端的导向头14和处于上端的打捞头16。导向头14由子组件30上的着地管鞋42来接受，该管鞋42用于将天线12与开槽部段36对齐。如上所述，该实施例的RIT10包括处于耐压外壳内的各种电子部件、电池、井底资料处理机、时钟、读出端口和存储器等(未示出)。RIT10还可包括本领域已知的各种类型的辐射源/传感器。
具有调制器的RIT。图16所示的RIT还安装有用于与地面进行信号通信的调制器116。如现有技术所知的那样，可用的调制器116包括旋转阀，其可在泥浆柱中的连续压力波下操作。通过改变信号的相位(调频)并检测这些变化，就可在地面和RIT10之间传送信号。通过此结构，操作人员可将RIT10经钻杆柱送出，以获得地层特性的测量数据(例如电阻率或γ射线计数)，并实时地将这种数据传到地面。或者，所有或一些测量数据可在井下存储于RIT10存储器中以供日后检索。调制器116还可用于验证RIT10是否正确地处于子组件30内以及该测量是否正确地进行。本领域的技术人员可以理解，调制器116的组件可结合于本发明的所有RIT/子组件的实施例中。
图17显示了本发明的另一实施例。本发明的子组件30和RIT10可用于在地面和沿钻杆柱设置的遥控工具112之间进行数据和/或指令的通信。为说明起见，工具112显示为在主动轴114的底部处设有钻头盒113。主动轴114通过内部传输组件(未示出)和轴承部分117与钻井马达115相连。工具112还具有安装在钻头盒113上的天线12。马达115使轴114旋转，而轴114使钻头盒113旋转，因此使天线12在钻井期间旋转。
在图17所示的结构中，RIT10可在地面处接合于子组件30内，或者在子组件30处于所需的井下位置时经钻杆柱送出。一旦形成接合，就可在RIT10上的天线12和工具112上的天线12之间建立无线通信链路，信号经开槽部段36而传送。这样就可在地面和井下工具112之间建立实时的无线通信。本领域的技术人员可以理解，可以在各种类型的遥控工具112上安装其它类型的传感器和/或信号发送/接收装置，以便与安装在RIT10上的相应装置进行通信。
核磁共振检测。已经知道，当具有磁矩的组件例如氢核暴露在静磁场中时，它们趋于沿磁场方向对齐，导致了体积磁化。通过测量氢核重新对齐它们的旋转轴所用的时间的量，就可以得到关于地层的孔隙度、可动流体和渗透率的快速且无破坏的测定。这可见于A.Timur，砂岩的孔隙度、可动流体和渗透率的脉冲式核磁共振研究，JOURNAL OF PETROLEUM TECHNOLOGY，June 1969，p.775。在美国专利No.4717876中介绍了采用这些技术的核磁共振测井仪。
通过如图18所示的本发明的非磁性子组件30，可以从磁共振中得到地层孔隙度的测定。子组件30可由本行业中通常使用的高强度非磁性钢形成。RIT10包括如上所述的电子部件、电池、CPU、存储器等。包含于RIT10内的相对的永久磁体118提供了磁场。在磁体118之间安装了RF线圈120，用于在同一区域内产生磁场以激励附近地层中的氢核。RF线圈120的设计类似于上述天线12，其为带有用于导线通过且提供机械强度的中心管的多圈环形天线。永久磁体118和RF线圈120最好容纳在子组件30的非磁性部分中，在这一部分中设有具有本发明的压力屏障结构(未示出)的轴向槽38。
通过非磁性子组件30，永久磁体118的静磁场B₀渗透到周围的地层中，以激励周围地层中的氢核。RIT10中的线圈120提供了RF磁场B₁，其在子组件30的外部正交于静磁场B₀。RF线圈120定位成与子组件30中的轴向槽38对齐。
起下钻具时的磁共振测量比传播电阻率测量更加复杂，这是由于存在下述原因，包括：固有的较低信噪比、永久磁体的形状因素、RF线圈的效率，高Q的天线调谐、较高的能量需求和较慢的测井速度。
γ射线测量。已经知道，可以采用经由地层的γ射线传输测量来测定地层的特性如密度。康普顿散射的γ射线交互作用仅依赖于散射电子的数量密度。这又与地层的体积密度成正比。传统的测井工具已经采用了检测器和γ射线源，其交互作用的主要模式为康普顿散射。这可见于已转让给本发明的受让人的美国专利No.5250806。γ射线地层测量已应用于LWT技术中。这可见于：随起下测井节省了使用γ射线的时间，OIL&GAS JOURNAL，June 1996，pp.65-66。如本领域所知的那样，本发明可用于获得γ射线测量，提供了较已知实施方式更佳的优点。
本发明的子组件30提供了钻井操作所需的结构完整性，同时还提供了用于γ射线通过的低密度通道。来看图4b，该结构可用于说明本发明的γ射线实施方式。在该实施方式中，RIT10安装有γ射线源和γ射线检测器(未示出)，其类型如本领域所知的那样且在’806专利中有介绍。可用γ射线源和γ射线检测器(未示出)来代替图4b所示的天线12。
在这类测量中通常采用两个γ射线检测器。如现有技术所知的那样，γ射线检测器置于RIT10上并与辐射源间隔开适当的距离。开槽部段36还可适当地放置成可与RIT10的辐射源和检测器的位置相匹配。可能需要对测量进行校准以便准确量度沿子组件30的内部所传送的射线。如本领域所知的那样，γ射线检测器还可被适当地容纳于RIT10内，以便将它们与来自辐射源的直接辐射屏蔽开。
来看图14，可采用这一结构来说明本发明的另一γ射线实施方式。在RIT10安装有所述γ射线组件并偏心地朝向槽38时，该结构可以更有效地捕获住散射的γ射线，并提供更少的传输损耗。
电阻率测量。本发明可用于采用如本领域所知的电磁传播技术来测量地层的电阻率，这些技术包括在美国专利No.5594343和No.4899112(均已转让给本发明的受让人)中所介绍的。图19a和19b显示了两种本发明的RIT10/子组件30的结构。采用一对处于中心的接收天线Rx来测量EM波的相移和衰减。可使用查找表来确定相移电阻率和衰减电阻率。在接收天线Rx之上和之下均设有发送天线Tx，它们可以是如图19a所示的其中具有两个对称设置的发送天线Tx的结构，或者是如图19b所示的其中在接收天线Rx之上和之下设有若干个发送天线Tx的结构。图19a所示的体系结构可用于测量井筒补偿相移和衰减的电阻率，而图19b所示的多个间隔开的Tx可测量多个勘探深度处的井筒补偿相移和衰减。本领域的技术人员可以理解，也可采用其它辐射源/传感器结构和算法或模型来进行地层测量和确定地层特性。
电感耦合的RIT/子组件。来看图20，在图中显示了本发明的子组件30和RIT10的其它实施例。子组件30包括一个或多个安装在细长主体的外径上以用于发送和/或接收电磁能量的整体式天线12。天线12通过如上所述的橡胶重叠模制件而嵌入在玻璃纤维环氧树脂中。子组件30还具有一个或多个沿其管壁分布的电感耦合器122。
RIT10具有小直径的耐压外壳，例如如上所述的外壳，其包括电子部件、电池、井底资料处理机、时钟、读出端口和记录存储器等，以及一个或多个沿其主体而安装的电感耦合器122。
如图21所示，RIT10在子组件30内偏心地设置，使得RIT10中的电感耦合器122和子组件30中的电感耦合器122紧密相邻。耦合器120包括如现有技术所知的形成于铁氧体主体周围的绕组。旁路124将天线12的导线与位于子组件30的小凹穴126中的电感耦合器122相连。带有垂直槽的金属屏蔽件128覆盖了各天线12，以保护其不受机械损伤，并提供了所需的电磁滤波性能，如上所述。将RIT10正确地定位在子组件30内提高了电感耦合的效率。采用导向头和着地管鞋(见图4a)来完成定位，使得RIT10偏心地处于子组件30内。本领域的技术人员可以理解，也可采用其它偏心系统来实施本发明。
如图22a所示，电感耦合器122具有由铁氧体制成的“U”形芯部。铁氧体芯部和绕组装在玻璃纤维-环氧树脂中，被橡胶131重叠模制住，并且安装在由金属形成的耦合器封装130内。耦合器封装130可由不锈钢或非磁性金属形成。设于电感耦合器封装130周围的标准O形密封圈132提供了液体密封。RIT10中的电感耦合器122也可装在玻璃纤维-环氧树脂中并被橡胶131重叠模制住。还可在子组件30的外径上设置由PEEK或PEK制成的薄圆柱形屏蔽件(未示出)，以便保护和固定住耦合器封装130。
在操作中，在RIT10中的电感耦合器122和子组件30之间存在着间隙，使得耦合无法达到100％的有效。为了提高耦合效率以及减轻极面不对准的影响，希望极面具有尽可能大的表面积。
图22b显示了子组件30中的3.75英寸长、1英寸宽的槽38。此电感耦合器122的极面为1.1英寸长和0.75英寸宽，这样就存在一个0.825平方英寸的重叠区域。这种结构保持了较高的耦合效率，并减轻了由下述原因所带来的影响：RIT10在钻井或起下钻具期间的运动，电感耦合器122之间的间隙的偏差，以及RIT10相对于子组件30的角度的偏差。长槽38的设计的另一优点是，它为电感耦合器封装130中的压力旁路124提供了空间。
如果需要的话还可在该封装130中设置天线调谐元件(电容器)。本领域的技术人员可以理解，可在子组件30的壁中形成其它开口结构以实现所需的电感耦合，例如如图20所示的圆形孔。
由于在大多数情况下子组件30内的压力比子组件30外的压力高1-2千磅/平方英寸(Kpsi)，因此电感耦合封装130应当被机械地固定住。来看图23，可采用天线屏蔽件128来将电感耦合器封装130固定住。屏蔽件128具有如上所述的处于天线12之上的槽，但在其它位置是实心的。实心部分固定了电感耦合器封装130，并承受源于差压降的载荷。还可在电感耦合器封装130的外部设置突出部(未示出)，以防止其向内运动。屏蔽件128还可在其内径上设置螺纹，该螺纹与子组件30上的配合“卡爪”(未示出)相接合。
图24显示了用于本发明的电感耦合器和发送天线的一个实施例的简化电路模型。在RIT10侧，电流为I₁，电压为V₁。在子组件30侧，电流为I₂，电压为V₂。互感量为M，各半体的自感量为L。此电感耦合器是对称的，在各半体上具有相同的圈数。在图24中所定义的I2的方向上，电压和电流的关系为V₁＝jωLI₁+jωMI₂和V₂＝jωMI₁+jωLI₂。天线阻抗为初级电感量(L_A)再加上小阻抗部分(R_A)，即Z_A＝R_A+jωL_A。通常来说电感性阻抗约为100欧，而电阻性阻抗约为10欧。可采用调谐电容器(C)来抵消天线阻抗，使得RIT侧的阻抗Z₂＝R_A+j ωL_A·j/ωC～R_A。传送到天线上的电流与用于驱动电感耦合器的电流之比为I₂/I₁＝-jωM/(JωL+R_A+jωL_A-j/ωC)。电感耦合器具有许多匝和高渗透率的芯部，因此L＞＞L_A且ωL＞＞＞R_A。为了准确地估计，I₂/I₁＝～-M/L(正负号与图24中所示的电流方向有关)。
本发明的实施。如上所述，RIT10可安装有内部数据存储装置，例如传统的存储器和本领域已知的或之后开发的其它形式的这类装置。这些存储装置可用于在地面和井下RIT10之间进行数据和/或指令的通信。所接收到的信号数据可在井下存储在存储装置中，并在RIT10返回到地面上时供日后检索用。如本领域所知的那样，地面处的计算机(或其它记录装置)可保存子组件的井下位置与时间的轨迹，因此可将所存储的数据与井下位置相关联。或者，信号数据和/或指令可通过本领域已知的LWD/MWD遥测而在地面和RIT10之间实时地进行通信。
图25显示了根据本发明的用于经由地层来发送和/或接收信号的方法300的流程图。该方法包括：采用钻杆柱穿过地层来钻出井筒，该钻杆柱包括具有带管壁的细长主体的子组件，并包括其中形成了至少一个槽的至少一个部段，各所述至少一个槽完全地透过管壁以便为电磁能量的通过提供连续的通道，305；使插入工具接合于子组件内，该插入工具设有信号发送装置和/或信号接收装置，310；将该插入工具定位在子组件内，使得至少一个信号发送或接收装置与子组件上的至少一个开槽部段对齐，315；以及分别通过发送或接收装置来经由地层发送或接收信号，320。
图26显示了根据本发明的用于测量井筒周围的地层特性的方法400的流程图。该方法包括：在井下工具上设置至少一个信号发送装置和至少一个信号接收装置，405；在井下工具上设置能够容纳打捞头或电缆接头的端部装置，410；以及使用该工具上的打捞头将该工具接合于钻杆柱内，以便在钻杆柱穿过井筒时利用发送和接收装置来测量地层特性，415；采用该工具上的电缆接头来将电缆连接到工具上，并使工具悬挂在井筒内以利用发送和接收装置来测量地层特性，420。
图26所示的方法400可采用本发明的插入工具10和子组件30来实施。插入工具可构造成具有端部区段或封盖(未示出)，其可容纳上述打捞头或电缆接头。在打捞头与插入工具相连时，该工具可如根据所公开的实施方式来使用。通过电缆接头，该插入工具可用作存储器模式的绳索起下工具。
可以理解，用于密封管件表面上的开口或槽的下述方法基于所公开的本发明的压力屏障结构和槽镶件。
图27显示了用于密封管件表面上的开口的方法500的流程图，其中该管件具有细长主体，该主体包括管壁和中心孔。该方法包括：将镶件放入到开口内，镶件形成为该开口的形状，505；以及在镶件和/或开口上施加粘合材料，以便将镶件粘合在该开口内，510。
图28显示了用于密封管件表面上的完全透过的开口的方法600的流程图，其中该管件具有细长主体，该主体包括管壁和中心孔。该方法包括：将镶件放入到开口内，镶件形成为该开口的形状，605；以及将挡环装置放入到管件，以便将镶件支撑在开口上，610。
核源测量。如上所述，本发明的RIT10可设有一个或多个辐射源和一个或多个辐射传感器，以便提供核的(例如密度孔隙度或中子测井孔隙度)地层评估。图29显示了本发明的另一实施例。在此实施例中，RIT10包括中子源134和两个中子检测器136，138(例如He3检测器)。中子源134可以是测井行业中众所周知的任一类型，例如封闭的化学源(例如AmBe源)或加速器中子发生器，例如在美国专利No.5235185(已转让给本发明的受让人)中所介绍的。RIT10还安装有如上所述的电池、电子部件、控制器、存储器、实时时钟和读出端口。源134和检测器136，138可设置在具有例如在美国专利No.4879463、No.Re36012、No.5608215、No.5767510、No.5804820、No.6032102和No.6285026(均已转让给本发明的受让人)中所介绍的传统结构的RIT10内。这些专利还介绍了可在本发明的实施例中实施的各种地下测量。
作为核相互作用的结果，源134所发出的中子在井筒和地层中产生了二次辐射。用语“二次辐射”用于包括被井筒内容物和地层所散射的中子(例如热的或超热中子)，或者由中子所产生的被地层氢核捕获的γ射线。
图29所示的RIT10还包括γ射线源140和γ射线检测器142，144。源140可以是任何传统的类型，例如被密封的一定量的钴或铯，或者可在其衰减过程中产生γ射线的任何其它放射性物质。源140可设于RIT内，或设于旁孔(未示出)内以便于在井场中进行装卸。如本领域所知的那样，来自源140的γ射线通过屏蔽件148(见图30)而朝向地层聚集。检测器142，144也可以是任何传统的类型，例如与光电倍增管147相连的NaI闪烁晶体145(见图30)。屏蔽件148还为检测器提供了方向灵敏性。可用的屏蔽材料包括铋、铅、钨合金或不可透过γ射线辐射的其它材料。在美国专利No.5250806(已转让给本发明的受让人)中进一步介绍了安装有γ射线源的测井装置。
由于金属子组件30的主体会限制或阻止γ射线能量从辐射源传送到地层中，因此在子组件30的壁上形成了部分透过的窗口150。这些窗口150用适当的可透辐射的或低密度的材料液密式封住，这些材料例如为环氧树脂、RANDOLITE或铍的插塞。由于子组件30的从内到外的压力降很小，因此这些窗口150的直径可以较大。如参考图4b所述，基于核的测量的其它实施例也可通过设有完全透过的开口38的子组件30来实施。可采用本发明中的任一种压力屏障结构来为该完全透过的开口提供密封。例如，可采用如这里所述的低密度的金属套筒或复合套筒。
图29所示的实施例显示了一种带有从子组件主体中向外延伸的整体式稳定叶片(blade)152的子组件30。在此实施例中，部分透过的窗口150设置在该稳定叶片152内。美国专利No.4879463介绍了一种安装了开有窗口的稳定叶片的测井工具。可采用未设稳定叶片152的子组件30、例如上述参考图4b所述的子组件来构造出本发明的其它γ射线源的实施例。这些实施例可通过使用装有槽38和/或部分透过的窗口150的“平滑”子组件30来实施。
通过在将带有辐射源的子组件30从井筒中起出时使其旋转(例如通过顶部驱动装置)，就可以得到方位角密度的测量。RIT10可装有本领域已知的磁力计，以确定作为形成于子组件30的360度圆周上的一定角度部分的函数的井筒和地层特性。美国专利No.5473158和No.5513528(均已转让给本发明的受让人)介绍了构造成带有核源以进行这种随钻测量的装置。
具有可起出系统的密度测量需要进行特殊的考虑。这是因为存在着γ射线经由子组件30内的泥浆流动通道而泄漏到间隔开的检测器142，144中的可能性。为了降低这种影响，RIT10应偏心地设置在子组件的孔中。图31显示了偏心的RIT10，其中子组件30的截面区域与RIT10的外径紧密地配合。如上所述，源140和检测器142，144还具有设于朝向泥浆流动通道一侧上的厚屏蔽件148，以及处于屏蔽件的朝向地层一侧上的开口。可采用标准校准技术来降低杂散γ射线的影响。
另一需要考虑的地方是RIT10和子组件30的不对准，这会引起测量误差。RIT10上的导向头14与着地管鞋42相接合，使得源140和检测器142，144均角向和轴向地定位在子组件内且与窗口150对齐。本发明的一些实施例可包括定心弹簧46(如图29所示)或其它所介绍的和本领域已知的着地机构，以便使RIT偏心并将其机械式地固定住。
图32显示了本发明的另一实施例。RIT10装有另一对γ射线检测器154，其用于更精确地测量RIT在子组件内的轴向位置。这两个检测器154是简单的计数器；它们不测量能谱。可用的检测器154包括固态的闪烁晶体或盖格-弥勒检测器。上方的检测器标为“1”，而下方的检测器标为“2”。在子组件30的壁中钻出形成一定角度的内部通道156。虽然这一特定实施例显示了通道156形成于稳定叶片152内，然而可以理解，其它子组件的实施例可具有形成于无叶片壁(未示出)内的内部通道。
子组件壁的内部通道156形成了两段路径，一段向下指向RIT10中的γ射线源140，另一段向上指向γ射线检测器154之间的中点。这些路径被可透过辐射的或低密度的材料填满。在子组件壁上安装了反射插塞158，以便将来自源140的γ射线朝向子组件的孔和一对检测器154而反向散射。插塞158可由任何适当的材料如钢形成，并以本领域内已知的任何适当方式安装在子组件内。
如果RIT10在子组件30内完全地对齐，那么两个检测器154的计数率相等，这是因为检测器的中点与通道156的上方路径正好成一直线，如图33b所示。如果RIT在子组件内比理想位置稍高，那么检测器1将远离通道156的上方路径，并具有比检测器2更低的计数率(图33a)。相反，如果RIT在子组件内比理想位置稍低，那么检测器1将接近通道156的上方路径，并具有比检测器2更高的计数率(图33c)。因此，检测器154中的计数率之比表示了RIT在子组件内的位置(图33d)。由于RIT位置不应在起出时急剧地变化，因此可在一段较长的时间内采集计数率，从而提供较高的统计精度。
如本领域所知的那样，通过在测井作业之前校准仪器可以提高测量的可靠性。本发明实施例的校准工艺要求在子组件30内定位RIT10，使得位置敏感检测器154可定心于内部通道156的上方路径中，然后置于比中心更高的一段已知距离处，再置于比中心更低的一段已知距离处。通过记录间隔开的检测器142，144和位置敏感检测器154的计数率，就可以在已知密度组内校准RIT/子组件。因此，位置敏感的比率可相对于轴向位移来校准(图33d)。密度校准项可随轴向位移而稍有变化，因此它们可表达为位置敏感的比率的函数(图33e)。在测井期间，位置敏感的比率可用于密度测量中。从所测得的比率中，可从上述函数中计算出适当的密度校正项。
本领域的技术人员可以理解，RIT上的源134，140与检测器136，138，142，144之间的间隔可根据所需的测量而有所不同。通过采用标准的峰值处理(spine and ribs processing)，可以校正子组件30和地层之间的较大变位误差。如本领域所知的那样，也可在RIT中设置额外的辐射检测器(例如处于两个检测器142，144之间的中间隔开的检测器)，以便克服较大的变位误差。如上所述，本发明的RIT实施例装备有电子部件，以便为辐射源和检测器提供进行所需核测量的功率和控制。还可以理解，可在本发明中使用任何已知的辐射数据处理技术。
图29中所示的实施例显示了可起出的“三重组合式”工具，其可提供电磁、γ射线、中子和密度测量。RIT10装备有打捞头16以在需要时随电缆放下和起出。因此，这两种核源均可通过打捞操作来恢复。其它实施例可包括如上所述的RIT和装有电感耦合器的子组件。这种实施例还可用于验证RIT是否正确地处于子组件内并正确地起作用。
图34显示了根据本发明的用于测定被井筒穿过的地下地层的特性的方法的流程图。该方法包括将子组件放入到井筒中，该子组件具有带管壁和内孔的细长主体，该子组件壁包括内部通道，其可将由从子组件内发出的辐射能量引回到子组件的内孔中，705；将插入工具放入到子组件的内孔中，所述工具具有置于其上的至少一个辐射源和至少一个辐射传感器，710；从插入工具上的至少一个辐射源中发出辐射能量到地层中，715；并且利用插入工具上的至少一个辐射传感器来检测辐射能量，以便测定地层特性，720。
图34所示的方法可通过本发明的插入工具10和子组件30来实施。插入工具构造成具有端部部分或封盖(未示出)，其可容纳上述打捞头或电缆接头。在将打捞头连接到插入工具上后，可根据所公开的实施方式来使用该工具。通过电缆连接，插入工具可用作存储器模式的绳索起下工具。
虽然已经针对特定实施例介绍了本发明的方法和装置，然而本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的概念和范围的前提下，可对这里所介绍的结构以及所述方法的步骤或步骤顺序进行变更。例如，可以理解，虽然本发明的实施例用于可起出的测井系统，然而这些实施例也可用于“普通”的测井应用，也就是说，本发明并不仅限于LWT应用。