CN100497885C - 随钻氘-氘可控补偿中子测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是为了提供一种随钻补偿中子测井仪，用于在钻井过程中实时测量井眼周围地层孔隙度。钻铤侧面开有一个U形槽，在其内部自上而下安装有接收器模块抗压筒和发生器模块抗压筒，接收器模块抗压筒和发生器模块抗压筒内分别装有接收器安装骨架和发生器安装骨架，接收器安装骨架内自上而下安装信号处理电路模块、远中子探测器、远探测器屏蔽块、近中子探测器和近探测器屏蔽块，发生器安装骨架内自上而下安装发生器控制电路、散热装置和中子发生器。采用氘-氘反应加速器中子源，降低了对人和环境所带来的放射性危害，并具有较高的使用寿命和较高的灵敏度，适用于地质导向钻井。

Description

随钻氘-氘可控补偿中子测井仪

技术领域：

本发明涉及一种在石油钻井行业中用于地质导向的无线随钻测量仪器。具体地说，本发明涉及氘-氘反应加速器中子源的随钻补偿中子孔隙度测井仪。

背景技术：

在石油行业地质导向钻井中，随钻补偿中子测井仪用于在钻井过程中，实时测量井眼周围地层的孔隙度，从而鉴别油气层，计算地层的产油能力。目前公知的随钻测井补偿中子测井仪使用一个中子源，并在离中子源不同距离处放两个中子探测器，测量两个探测器计数率的比值，由于该比值主要反映地层的含氢量，而氢通常含于地层的流体中，所以含氢量与地层孔隙度有关，由此计算出地层孔隙度。目前公知的随钻测井补偿中子测井仪中，中子源采用镅-铍中子源或氘-氚反应加速器中子源，没有采用氘-氘反应加速器中子源。

使用镅-铍中子源的补偿中子孔隙度测井仪存在如下缺点：

由于镅-铍中子源利用放射性同位素镅核衰变放出的高能粒子去轰击靶材料铍核，实现发射中子的核反应，因此即使它不运行时也会产生强烈的放射性，虽然采用多种放射源屏蔽防护装置和措施，但现场操作环境限制了有效防护手段的使用，常常是徒手操作，难以避免对操作人员造成健康伤害。另外，随钻测井复杂的操作条件极容易使放射源丢失，而且放射源的回收比较困难，如果在使用过程中，因井下钻具卡钻而使放射源落入井中无法打捞，则放射源会严重污染地层，甚至使整个油区报废。

使用氘-氚反应加速器中子源的补偿中子孔隙度测井仪存在如下缺点：

首先，氘-氚反应加速器中子源的寿命较短。氘-氚反应加速器中子源通过加速器使带电粒子氘核加速到较高能量，轰击靶材料的氚核，实现发射中子的核反应。由于它的靶中含有较多的不稳定放射性核素氚，其自然衰变产物是惰性气体氦，随着氚衰变所产生的氦气在靶内浓度增高会使氘-氚反应加速器中子源内部气压增高。另外，工作时由于靶的局部过热、靶面的离子溅射以及杂质离子对靶中氚浓度的稀释容易引起中子产额下降。而氘-氘反应加速器中子源的靶材料为氘核，则不存在此问题。

其次，根据补偿中子孔隙度测量原理，测量灵敏度与所使用的中子源的能量有关，中子源的能量越高，仪器测量的孔隙度灵敏度越低。镅-铍中子源的平均能量约为4～5MeV，氘-氘反应加速器中子源输出能量为2.3MeV的快中子，氘-氚反应加速器中子源输出能量为14MeV的快中子。因此，采用氘-氘反应加速器中子源的补偿中子孔隙度灵敏度最高，镅-铍中子源者次之，氘-氚反应加速器中子源则最差。

另外，虽然氘-氚反应加速器中子源在不运行时不会产生强烈的放射性，但它的靶中含有大量的不稳定放射性核素氚，当它在井下因意外而损坏时，会产生与镅-铍中子源同样的放射性问题，造成地层的严重污染。而氘-氘反应加速器中子源的靶材料氘核较为稳定，不存在此问题。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种随钻补偿中子测井仪，用于在钻井过程中实时测量井眼周围地层的孔隙度，与现有技术相比，克服了使用镅-铍中子源对人和环境所带来的放射性危害，以及氘-氚反应加速器中子源寿命低和灵敏度差的问题。

本发明所述的仪器包括：钻铤、导线孔、泥浆导流通道、高压密封盖板、U形槽、固定连接器、接收器安装骨架、控制处理电路、远中子探测器、远探测器屏蔽块、近中子探测器、近探测器屏蔽块、接收器模块抗压筒、耦合连接器、发生器模块抗压筒、发生器安装骨架、中子控制器、散热装置、中子发生器、滑环连接器、近中子信号处理器、远中子信号处理器、高压电源、电源控制器、离子源控制器、微处理器、存储器、调制解调器、总线隔离驱动器。

本发明的特征是：钻铤内至少包含一个泥浆导流通道，在钻铤侧面开有一个U形槽，在U形槽内自上而下安装有接收器模块抗压筒和发生器模块抗压筒，接收器模块抗压筒和发生器模块抗压筒内分别装有接收器安装骨架和发生器安装骨架，接收器安装骨架内自上而下安装控制处理电路、远中子探测器、远探测器屏蔽块、近中子探测器和近探测器屏蔽块，发生器安装骨架内自上而下安装中子控制器、散热装置和中子发生器，中子发生器是氘-氘反应加速器中子源，接收器安装骨架上端和发生器安装骨架下端分别连接有固定连接器，固定连接器通过高压密封盖板固定在钻铤外壁上，接收器模块抗压筒和发生器模块抗压筒之间安装有耦合连接器，耦合连接器固定在钻铤外壁上，控制处理电路包括微处理器和离子源控制器，中子控制器和离子源控制器与微处理器、中子发生器连接。

本发明所述的随钻氘-氘补偿中子测井仪具有的有益效果是，具有抗振动、抗高压措施的钻铤式安装结构适应井下恶劣工作环境，采用氘-氘反应加速器中子源，降低了对人和环境所带来的放射性危害，并具有较高的使用寿命和灵敏度，适用于地质导向钻井。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1表示“随钻氘-氘补偿中子测井仪”的轴向剖面图；

图2表示“随钻氘-氘补偿中子测井仪”的径向剖面图；

图3表示“随钻氘-氘补偿中子测井仪”的信号处理流程框图。

1、钻铤                 2、导线孔             3、泥浆导流通道

4、高压密封盖板         5、U形槽              6、固定连接器

7、接收器安装骨架       8、控制处理电路       9、远中子探测器

10、远探测器屏蔽块      11、近中子探测器      12、近探测器屏蔽块

13、接收器模块抗压筒    14、耦合连接器        15、发生器模块抗压筒

16、发生器安装骨架      17、中子控制器        18、散热装置

19、中子发生器          20、滑环连接器        21、近中子信号处理器

22、远中子信号处理器    23、高压电源          24、电源控制器

25、离子源控制器        26、微处理器          27、存储器

28、调制解调器          29、总线隔离驱动器

具体实施方式：

现结合说明书附图1、2和3，对本发明作进一步描述。

图1表示仪器的轴向剖面图。为适应井下恶劣工作环境，仪器采用钻铤式安装结构，并有抗振动、抗高压措施。钻铤1作为仪器的安装骨架及井下钻具的一部分，通常位于钻头或造斜工具之后。钻铤侧面开有一个U形槽5，在U形槽5内自上而下安装有接收器模块抗压筒13和发生器模块抗压筒15，它们的壁厚度应满足抗井下泥浆高压的要求，接收器模块抗压筒13和发生器模块抗压筒15内分别装有圆筒形的接收器安装骨架7和发生器安装骨架16。

接收器安装骨架7内自上而下安装控制处理电路8、远中子探测器9、远探测器屏蔽块10、近中子探测器11和近探测器屏蔽块12，内部空隙用胶填满，接收器安装骨架7装在接收器模块抗压筒13内。近中子探测器11和远中子探测器9采用氦-3管，其输出的信号经过控制处理电路8处理后，计算得到地层孔隙度信息。近探测器屏蔽块12和远探测器屏蔽块10由含硼材料和钨镍铁制成，分别安装在近中子探测器11和远中子探测器9下端，用于屏蔽中子源直接入射到探测器的中子，使探测器对地层孔隙度的变化敏感。

发生器安装骨架16内部自上而下安装中子控制器17、散热装置18和中子发生器19，内部空隙用胶填满，发生器安装骨架16装在发生器模块抗压筒15内。为克服使用镅-铍中子源对人和环境所带来的放射性危害，以及氘-氚反应加速器中子源寿命低和灵敏度差的问题，中子发生器19采用氘-氘反应加速器中子源，用来产生脉冲中子，散热装置18安装在中子发生器19端部的靶区部分，并与发生器模块抗压筒15接触，利用发生器模块抗压筒15与外部泥浆接触散热，可防止中子发生器19内氘靶的局部过热，中子控制器17用来开关控制中子发生器19的工作状态。

接收器安装骨架7上端和发生器安装骨架16下端分别连接有固定连接器6，高压密封盖板4压在固定连接器6外面，并将其固定在钻铤1外壁上，防止高压泥浆进入固定连接器6，造成仪器损坏。

根据补偿中子测量方法，中子源与两个中子探测器之间应保持适当的距离，在本发明中，在接收器模块抗压筒13和发生器模块抗压筒15之间固定安装有一定长度的耦合连接器14，耦合连接器14的另一个作用是发生器部分和接收器部分之间的电气连接。

在钻铤1的丝扣根部镶嵌有滑环连接器22，并有导线孔2通向U形槽5，导线孔2和滑环连接器22用于电源和信号传输。

图2表示仪器的径向剖面图。钻铤1至少包括一个泥浆导流通道3，导流钻井液从地面到钻头。泥浆导流通道3在钻铤1的上部和下部是一个主流道，该流道中心与钻铤1轴向中心不在同一个位置，在U形槽5位置处分为两个或两个以上直径较小的分流道，以满足仪器结构的强度要求和钻井工程所需的的泥浆排量要求。作为另一种流道形式，泥浆导流通道3也可以在钻铤1中只包含有一个主流道。

图3表示仪器的信号处理流程框图。控制处理电路8包括：近中子信号处理器21、远中子信号处理器22、高压电源23、电源控制器24、离子源控制器25、微处理器26、存储器27、调制解调器28和总线隔离驱动器29。

仪器下井之前通过计算机软件设置，或者仪器下井之后由地面泥浆泵产生不同的控制命令时序，由微处理器26控制井下仪器程序进入特定的工作模式，产生特定的控制时序，供给中子控制器17，开关控制中子发生器19的工作状态，若需要测量，则使中子发生器19产生中子，否则停止产生中子。另外，在仪器工作过程中，微处理器26根据近中子探测器11或远中子探测器9输出脉冲的计数值计算出热中子通量，反馈给离子源控制器25，控制中子发生器19的离子源电流，实现中子产额的自适应调控，使测量不确定度达到要求。

高压电源23的工作状态由微处理器26经过电源控制器24进行控制，其输出的高压供给近中子探测器11和远中子探测器9。近中子探测器11和远中子探测器9将接收到的地层中子转化成电信号，分别经过近中子信号处理器21和远中子信号处理器22，变为标准脉冲信号后送到微处理器26，对脉冲进行计数，根据计数值计算地层的孔隙度，并按设计好的数据记录格式将计算结果保存到存储器27中，同时根据传输需要，对计算数据编码压缩后，通过调制解调器28调制成特定格式的信号，并经总线隔离驱动器29驱动后，通过单芯总线送到MWD仪器，由MWD控制其泥浆脉冲遥测系统一起发送到地面。

Claims (4)

1、一种随钻氘-氘可控补偿中子测井仪，包括：钻铤(1)、泥浆导流通道(3)、U形槽(5)、接收器安装骨架(7)、控制处理电路(8)、远中子探测器(9)、远探测器屏蔽块(10)、近中子探测器(11)、近探测器屏蔽块(12)、接收器模块抗压筒(13)、发生器模块抗压筒(15)、发生器安装骨架(16)、中子控制器(17)、散热装置(18)、中子发生器(19)，其特征是：钻铤(1)内至少包含一个泥浆导流通道(3)，在钻铤(1)侧面开有一个U形槽(5)，在U形槽(5)内自上而下安装有接收器模块抗压筒(13)和发生器模块抗压筒(15)，接收器模块抗压筒(13)和发生器模块抗压筒(15)内分别装有接收器安装骨架(7)和发生器安装骨架(16)，接收器安装骨架(7)内自上而下安装控制处理电路(8)、远中子探测器(9)、远探测器屏蔽块(10)、近中子探测器(11)和近探测器屏蔽块(12)，发生器安装骨架(16)内自上而下安装中子控制器(17)、散热装置(18)和中子发生器(19)。

2、根据权利要求1所述的随钻氘-氘可控补偿中子测井仪，其特征是中子发生器(19)是氘-氘反应加速器中子源。

3、根据权利要求1所述的随钻氘-氘可控补偿中子测井仪，其特征是：接收器安装骨架(7)上端和发生器安装骨架(16)下端分别连接有固定连接器(6)，固定连接器(6)通过高压密封盖板(4)固定在钻铤(1)外壁上，接收器模块抗压筒(13)和发生器模块抗压筒(15)之间安装有耦合连接器(14)，耦合连接器(14)固定在钻铤(1)外壁上。

4、根据权利要求1所述的随钻氘-氘可控补偿中子测井仪，其特征是：控制处理电路(8)包括离子源控制器(25)和微处理器(26)，中子控制器(17)、离子源控制器(25)均与微处理器(26)和中子发生器(19)连接。

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