CN103527181B - 一种随钻可控源中子测井方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻可控源中子测井方法及仪器，所述方法包括：启动钻铤上的脉冲中子源以脉冲方式向地层发射定量高能中子；通过设置于钻铤上的长源距探测器和短源距探测器分别测得经地层减速后散射回井眼的热中子数目；根据两探测器所测得的热中子数目获得地层的热中子宏观俘获截面∑和孔隙度φ；根据热中子宏观俘获截面及孔隙度φ得到地层含水饱和度Sw。所述仪器包括：脉冲中子源、探测单元、信号处理及数据分析单元及电源模块，用于为上述各单元提供电源。本发明利用长、短源距³He热中子探测器对热中子进行探测，获得孔隙度与热中子宏观俘获截面两组参数，实现矿化度相对较低地层的含水饱和度和孔隙度测量。脉冲中子源的使用，消除了放射源对人和环境的危害。

Description

一种随钻可控源中子测井方法及仪器

技术领域

本发明涉及石油地质勘探随钻地质导向的随钻测井方法领域，特别涉及一种随钻可控源中子测井方法及仪器。

背景技术

随钻测井是在钻井过程中用安装在钻铤中的测井仪器测量地层性质并将测量结果传送到地面或记录在井下存储器中的一种技术。该技术要求测井仪器能够安装在钻铤内较小的空间里，并能承受高温、高压和钻井时产生的强烈震动。随钻测井资料是在地层被泥浆滤液侵入之前或侵入很浅时测量的，比电缆测井更为客观真实地反映了地层特征。随钻测井能够实时确定井眼轨迹，进行地质导向和地层评价，提高了现场钻井决策能力。随钻测井还可进行时间推移测井，分析侵入随时间的变化，能得到区别油水层的信息。在非常规井中或在特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层)下，常规电缆测井困难或风险很大以至不能作业时，随钻测井就更显示其自身独具的优势。

常规放射性测井仪器使用放射性化学源，对操作人员以及其它生物细胞造成很大伤害。遇到井下复杂情况会造成卡钻时，带有放射性化学源的仪器，可能无法收回放射源，导致钻井、测井作业失败，油井报废，通常要专门封井。地层环境将受到严重的放射性污染，需定期监测。国家对测井放射源的管理将会日益严格，相关费用也将大幅增加。由于随钻测井环境更为恶劣，仪器和放射性化学源装卸比常规测井更为复杂、需要的时间更长，从而加剧了放射性化学源对环境的污染和对操作人员的伤害。用可控中子源替代放射性化学源即可很好地解决这个问题。

中国专利文献CN 2900786公开了一种“随钻氘氘可控补偿中子测井仪”的不带化学源的随钻可控源中子孔隙度测井仪器，该专利首次将可控源用在获得地层孔隙度参数上，其使用的是D-D中子管作为随钻可控源中子孔隙度测井仪的可控源部件，中子射线能量为2Mev，探测深度为23.75cm，缺点是D-D中子管，其中子管中子产额低，容易引起放射性统计涨落误差，测量精度较低。且该中子管阳极使用的是直流高压，不能测量热中子俘获截面和含水饱和度。

中国专利文献CN102159970A公开了一种确定地下岩层中的水饱和度的方法，包括用多个在钻探入岩层中的钻井孔中进行的测量来测定岩层的侵入深度。测量具有不同的进入岩层的调查的横向深度。在基本上与测量侵入深度的位置相同的纵向位置上测量岩层中的碳和氧。用测量的碳和氧以及侵入深度确定岩层的基本上未侵入部分的水饱和度。上述专利文献中用3He正比计数器测量地层中孔隙度φ，而测量地层热中子俘获截面使用的是传统的闪烁晶体探测器，闪烁晶体探测器接收的是地层中的俘获伽马射线，利用俘获伽马数目计算热中子俘获截面。其热中子俘获截面的测量方法与传统的中子寿命测井仪器方法相同，这种方法的缺点是受自然界中各种伽马射线本底计数的影响，而且不适用于矿化度相对较低的地层。

发明内容

为了在矿化度相对较低的地层中实现对所测地层含水饱和度和孔隙度的测量，实时测量井眼周围地层孔隙度与热中子宏观俘获截面参数，消除放射源对环境污染的危险及操作人员的人身伤害，本发明提供了一种随钻可控源中子测井方法及仪器。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种随钻可控源中子测井方法，所述方法包括：

启动钻铤上的脉冲中子源以脉冲方式向地层发射定量高能中子；通过设置于钻铤上的长源距探测器和短源距探测器分别测得经地层减速后散射回井眼的热中子数目；根据两探测器所测得的热中子数目获得所测地层的热中子宏观俘获截面∑和孔隙度φ；根据所测热中子宏观俘获截面∑及孔隙度φ得出所测地层的含水饱和度Sw。

所述的根据两探测器所测得的热中子数目获得所测地层的热中子宏观俘获截面∑，其具体包括是：

根据任意一段时间内所发送的定量热中子数目及在两探测器所探测到的热中子数目，分别得出两探测器所探测到的地层俘获热中子数目；通过热中子宏观俘获截面计算公式算出所测地层的宏观俘获截面∑；

∑＝105×10⁴(lnN1-lnN2)/(t1-t2)

其中：N1、N2分别对应两探测器所探测到的地层俘获热中子数目；

t1、t2为不同的时间门。

所述的根据两探测器所测得的热中子数目获得所测地层的孔隙度φ，其具体包括是：

根据两探测器所测热中子数目分别得出单位时间内热中子的计数率，由两探测器所得计数率的比值求得减速长度Le；根据热中子的减速长度Le求得所测地层的孔隙度；

其中，热中子的减速长度Le的获得所依据的公式为：

计算孔隙度所依据的公式为：

其中：

r₁、r₂分别为长源距探测器距离脉冲中子源的距离；

D_t为热中子的扩散系数；

L_t为热中子的扩散长度。

所述的由热中子宏观俘获截面和孔隙度计算地层的含水饱和度Sw，其依据的公式为：

Sw＝(∑-∑ma(1-Φ-Vsh)-∑hΦ-∑shVsh)/Φ(∑w-∑h)

式中,∑ma为骨架的宏观俘获截面常数；

∑h为烃的宏观俘获截面常数；

∑sh为泥质的宏观俘获截面常数；

∑w为地层水的宏观俘获截面常数；

Vsh为泥质体积含量。

另一方面，提供了一种随钻可控源中子测井仪器，所述仪器包括：包括钻铤，沿所述钻铤的轴向上间隔成型有多个径向设置的U型槽，所述测井仪器密封设置于所述U型槽内，其包括：

脉冲中子源，包括氘氚反应中子管，其以脉冲方式向所测地层发射高能中子；

探测单元，包括长源距探测器和短源距探测器，用于接收由地层散射至井眼中的热中子；

信号处理及数据分析单元，用于对所述探测单元所接收的地层热中子进行计数与数据处理，获得所测地层的孔隙度φ和含水饱和度Sw；

电源模块，用于为上述各单元提供电源。

所述的信号处理及数据分析单元内运行有：

主放与脉冲幅度分析模块，接收所述探测单元的前放输出信号，用于对前放输出信号进行放大和脉冲幅度分析。

信号处理模块，接收所述主放与脉冲幅度分析模块的输出信号，并实现信号的累加处理；

数据处理器，接收所述信号处理模块的累加信号，并对所接收的累加信号进行数据处理，测得地层的孔隙度φ和含水饱和度Sw；

数据传输模块，分别与所述数据处理器和上位机连接，用于将所测参数传输至上位机。

所述的长源距探测器和短源距探测器均为³He热中子探测器。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

A.本发明所采用的脉冲中子源中包括D-T氘氚反应中子管，其以脉冲方式向所测地层发送高能中子；D-T中子管发射的中子射线能量为14Mev，探测深度为25cm。依据D-D氘氘反应中子管和D-T氘氚反应中子管反应机理，在相同尺寸，相同电参数下D-D氘氘反应中子管中子产额比D-T氘氚反应中子管中子产额低三分之二，通过采用长源距探测器、短源距探测器和D-T氘氚反应中子管提高中子产额的方法增加探测深度、降低放射性统计涨落，提高测量精度。

B.本发明采用的长源距探测器和短源距探测器均为³He热中子探测器，用于探测高能中子过地层减速以后还没有被地层俘获的热中子，求得地层的热中子宏观俘获截面进而计算出地层的含水饱和度；其优点是相对于传统的中子寿命测井而言，由于测量的是热中子，自然界几乎不存在自由中子，所以不受本底影响；所记录的中子衰减谱均可以利用，在低矿化度地层，由于被俘获的中子数目少，计数率高，统计起伏小，能提供更精确的测量结果。

C.本发明所提供的测井仪采用一个探测单元即可获得孔隙度和中子Σ两组在发生大量泥浆液侵入地层前的参数，并且两组地层参数在地层评价过程可以相互参考，特别适用于对复杂地层的评价。

D.随钻可控源中子孔隙度-∑测井仪测量的∑参数(地层热中子俘获截面)，能够帮助分析近井孔隙中的流体类型，对于同一孔隙度的地层，水与油的宏观俘获截面差异愈大，对于油、水层分辨能力愈强，为了对地层进一步分析，可用中子孔隙度测井仪测量的孔隙度来求油水宏观俘获截面差异，准确判断油水层。特别是在低电阻率的产层中，利用∑参数计算出地层的含水饱和度具有很高的实用价值。与深电阻率相比，∑测量相对较浅，因此，泥浆液的侵入常常会降低其测量效果。所以，对随钻测井来说，在发生大量泥浆液侵入前测量的∑参数能得到更具代表性的油藏流体描述。

E.随钻可控源中子孔隙度-∑测井仪对完善随钻测井系统，起到重要的作用。同时，该仪器可以与其它随钻仪器任意组合配接，有利于增加新的测量参数，提高测量的效率。根据需要组成测量参数齐全的多参数地层评价随钻测井系统，具有较高的推广应用价值。

F.与中国专利文献CN102159970A相比，本发明通过采用一种探测器(3He正比计数器)同时获得孔隙度与热中子宏观俘获截面两组参数，实现矿化度相对较低地层的含水饱和度和孔隙度测量。由于只使用一种探测器同时获得两组参数，使得仪器的机械设计更为简洁，仪器长度缩短，大大降低了井下施工风险；更加符合国际上“集成化测井”这个理念，同时节约了仪器成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提供的随钻可控源中子测井方法框图；

图2是本发明所提供的随钻可控源中子测井原理框图；

图3是本发明所提供的信号处理及数据分析单元原理框图；

图4是本发明所提供的随钻可控源中子测井仪的截面图；

图5是本发明所提供的随钻可控源中子测井仪的俯视图。

图中：

1-钻铤；2-安装盖板；3-承压外壳；4-紧定螺钉；5-泥浆过孔；6-探测器及信号处理短节；7-可控中子源密封短节；8-可控中子源控制短节；9-长源距探测器；10-短源距探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种随钻可控源中子测井方法，所述方法包括：

【S1】启动钻铤上的脉冲中子源以脉冲方式向地层发射定量高能中子

采用D-T氘氚反应中子管，以脉冲的方式向地层发射高能中子，其中的热中子需要预知其发射的数目。

【S2】通过设置于钻铤上的长源距探测器和短源距探测器分别测得经地层减速后散射回井眼的热中子数目

这里的长源距探测器与短源距探测器分别固定于钻铤上，其中的长源距探测器距离脉冲中子源较远，短源距探测器距离脉冲中子源较近。通过长源距探测器和短源距探测器分别探测到散射回井眼的热中子数。

【S3】根据两探测器所测得的热中子数目获得所测地层的热中子宏观俘获截面∑和孔隙度φ

其中根据所测热中子数目获得所测地层的热中子宏观俘获截面，其具体方法是：

根据某段时间内所发送的定量热中子数目及在两探测器所探测到的热中子数目，分别得出两探测器所探测到的地层俘获热中子数目；通过热中子宏观俘获截面计算公式算出所测地层的宏观俘获截面∑；

∑＝105×10⁴(lnN1-lnN2)/(t1-t2)

其中：N1、N2分别对应两探测器所探测到的地层俘获热中子数目；

t1、t2为不同的时间门。

根据两探测器所测得的热中子数目获得所测地层的孔隙度，其具体方法是：

根据两探测器所测热中子计数率比值求得减速长度Le；根据热中子的减速长度Le求得所测地层的孔隙度；

其中，热中子的减速长度Le的获得所依据的公式为：

计算孔隙度所依据的公式为：

其中：

r₁、r₂分别为长源距探测器距离脉冲中子源的距离；

D_t为热中子的扩散系数；

L_t为热中子的扩散长度。

显然在源距r1和r2已知的情况下，热中子计数率比值只与快中子的减速长度有关，通过它可以求得孔隙度。

【S4】根据所测热中子宏观俘获截面及孔隙度φ得出所测地层的含水饱和度Sw

所述的根据所测热中子数量获得所测地层的热中子宏观俘获截面，其具体方法是：

采用中子源以脉冲方式向地层发射高能中子，用³He气体正比探测器探测慢化后的热中子。中子不带电，在充有³He的探测器中³He作为中子灵敏物质及电离的气体。入射的慢中子进入探测器并撞击³He产生氚、质子和能量。氚、质子与其它³He原子碰撞，产生³He和自由电子。高压使自由电子向中心的阴极金属丝加速运动，在阳极收集电子的负脉冲，作为探测器的输出。通过测量中子俘获后的时间谱，根据以下公式即可确定地层和井眼的宏观俘获截面，进而求解某些地层参数。

由热中子宏观俘获截面和孔隙度计算地层的含水饱和度Sw，其依据的公式为：

Sw＝(∑-∑ma(1-Φ-Vsh)-∑hΦ-∑shVsh)/Φ(∑w-∑h)

式中,∑ma为骨架的宏观俘获截面常数；

∑h为烃的宏观俘获截面常数；

∑sh为泥质的宏观俘获截面常数；

∑w为地层水的宏观俘获截面常数；

Vsh为泥质体积含量。

如图4和图5所示，本发明还提供了一种随钻可控源中子测井仪器，包括钻铤，沿钻铤的轴向上间隔成型有多个径向设置的U型槽，通过设置于U型槽上的安装盖板将测井仪器密封于U型槽内，其包括：

脉冲中子源，包括氘氚反应中子管，其以脉冲方式向所测地层发送高能中子；

探测单元，包括长源距探测器和短源距探测器，用于接收由地层散射至井眼中的热中子；

信号处理及数据分析单元，用于对所述探测单元所接收的地层热中子进行计数与数据处理，获得所测地层的孔隙度φ和含水饱和度Sw；

电源模块，用于为上述各单元提供电源。

在钻铤上设置了多个短节，包括探测器及信号处理短节、可控中子源密封短节和可控中子源控制短节，D-T氘氚反应中子管设置在可控中子源密封短节内，而钛丝控制、阳极控制和高压控制设置于可控中子源控制短节内，长源距探测器和短源距探测器及信号处理及数据分析单元均设置于探测器及信号处理短节内。

用长源距、短源距二支³He热中子探测器探测到带有地层信息的热中子后，经过前置放大，两道信号分别送到信号处理电路(孔隙度参数)与脉冲幅度分析电路(∑参数)，其关键点在于脉冲幅度分析电路根据热中子的特性以及衰减时间；由于核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比，因此，测量这些脉冲的幅度，就可以知道入射粒子的能量，能够精确分析出带有地层信息的入射粒子，对³He热中子探测器输出信号的能谱以及时间谱作出精确分析。

如图3所示，在信号处理及数据分析单元内运行有：

主放与脉冲幅度分析模块，接收所述探测单元的前放输出信号，用于对前放输出信号进行放大和脉冲幅度分析。

信号处理模块，接收所述主放与脉冲幅度分析模块的输出信号，并实现信号的累加处理；

数据处理器，接收所述信号处理模块的累加信号，并对所接收的累加信号进行数据处理，测得地层的孔隙度φ和含水饱和度Sw；

数据传输模块，分别与所述数据处理器和上位机连接，用于将所测参数传输至上位机。

长源距探测器和短源距探测器均为³He热中子探测器。

如图2所示为原理框图。

其工作流程为：仪器供电后，低压电源模块为各个电路单元电源提供工作电压，中子管开始工作，向地层发射14Mev高能中子，高能中子与地层元素的原子核发生一系列反应后，将带有地层信息的热中子送入³He正比计数器，被紧挨着³He管的前置放大器放大，送入到主放与脉冲幅度分析单元进行处理，再送入到信号处理与CPU数据处理器，得到长、短源距的热中子计数率以及中子时间谱，经过地面计算得到孔隙度以及∑参数。

本发明在随钻可控源中子孔隙度测井仪基础上再增加∑参数(中子俘获截面)，在测量地层孔隙度的同时测量地层的中子俘获截面，用一个硬件实现二组在发生大量泥浆液侵入地层前参数的测量。用³He热中子探测器探测高能中子经过地层减速以后变成的还没有被地层俘获的热中子求得地层的宏观俘获截面进而计算出地层的孔隙度和含水饱和度。

热中子从其产生到被吸收为止经历的平均时间指的是统计概念，即热中子从其产生到被吸收经历的时间有长、有短，这里的热中子寿命是一种平均值。热中子寿命与物质的宏观俘获截面有关，即地层介质的宏观俘获截面越大，则热中子寿命越短，地层介质的宏观俘获截面是指岩石中各个核素的微观俘获截面的总和。

随钻可控源中子孔隙度-∑测井仪探测器采用抗震的长/短源距探测器采用³He热中子探测器。探测器轴向、所有侧面采用高原子序数的材料对放射性射线屏蔽，主体内部的线路骨架以及线路板都是抗震设计。

如图4所示，本发明为了更好的获得地层信息，采用在钻铤侧面开有一个U形槽，仪器主体镶嵌方式装入钻铤U形槽内，该结构能使探测器获得良好的贴井壁效果，且仪器主体与钻铤连接可靠，方便仪器主体拆卸。

随钻可控源中子孔隙度-∑测井仪根据热中子的特性及衰减时间设计相应的中子发生器爆发方式，由于中子与地层的相互作用，是中子与地层元素的原子核之间的作用，当脉冲中子源发射的14Mev的高能快中子射入地层后，在最初极短的时间内，与地层中各元素的原子核发生非弹性散射而损失大量的能量，同时释放出具有核辐射特征能量的非弹性散射伽马射线。一般来说，在脉冲中子源发射中子后的几微秒内，14Mev的快中子在井眼周围的地层中被慢化为热中子。依据上述脉冲中子与地层之间的作用，本发明通过中子管的阳极脉冲电路，设计了一个短周期中子爆发时序周期为1ms,其中中子爆发80μs停歇920μs测量100道的时间谱计数,每道10μs，并采用集成程度高的可编程门阵列及微处理器优化设计适用于脉冲中子-中子仪器的能谱和时间谱采集时序、采集电路以及采集软件。

选择高氮铬锰不锈钢W1813N材料作为图5中“钻铤”的加工材料。利用的无磁性能和材料本身具有的刚性特性，按照本发明之“钻铤”的结构制作该零件。

本发明提供的随钻可控源中子测井仪线路部分承压外壳采用铍青铜，该种材料经固溶及时效处理后，具有良好的塑性，可进行冷加工变形。但在进行时效处理后，却具有极好的“弹性性能”，硬度也得到提高，强度可达1250～1500MPa。同时还具有高导电性、无磁性、耐磨、耐疲劳、耐低温、耐腐蚀及弹性滞后小等特点。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种随钻可控源中子测井仪器，包括钻铤，其特征在于，沿所述钻铤的轴向上间隔成型有多个径向设置的U型槽，所述测井仪器密封设置于所述U型槽内，通过设置于所述U型槽上的安装盖板将所述测井仪器密封于所述U型槽内，其包括：

脉冲中子源，包括氘氚反应中子管，其以脉冲方式向所测地层发射高能中子；

探测单元，包括长源距探测器和短源距探测器，用于接收由地层散射至井眼中的热中子；

信号处理及数据分析单元，用于对所述探测单元所接收的地层热中子进行计数与数据处理，获得所测地层的孔隙度φ和含水饱和度Sw；

电源模块，用于为上述各单元提供电源。

2.根据权利要求1所述的随钻可控源中子测井仪器，其特征在于，

所述的信号处理及数据分析单元内运行有：

主放与脉冲幅度分析模块，接收所述探测单元的前放输出信号，用于对前放输出信号进行放大和脉冲幅度分析；

信号处理模块，接收所述主放与脉冲幅度分析模块的输出信号，并实现信号的累加处理；

数据处理器，接收所述信号处理模块的累加信号，并对所接收的累加信号进行数据处理，测得地层的孔隙度φ和含水饱和度Sw；

数据传输模块，分别与所述数据处理器和上位机连接，用于将所测参数传输至上位机。

3.根据权利要求1或2所述的随钻可控源中子测井仪器，其特征在于，

所述的长源距探测器和短源距探测器均为³He热中子探测器。