CN103696765A - 基于可控中子源的双LaBr3探测器元素能谱测井仪及测井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可控中子源的双LaBr₃晶体探测器素能谱测井仪，其中的测井仪包括筒状壳体，在筒状壳体内从上到下设置有一号LaBr₃探测器、二号LaBr₃探测器、可控中子源在一号LaBr₃探测器的顶部连接有光电倍增管，在一、二号LaBr₃探测器之间设置有铬片，上述光电倍增管、一号LaBr₃探测器、铬片与二号LaBr₃探测器设置在一个位于筒状壳体中的硼套体内；在可控中子源与硼套体之间设置有钨屏蔽体，可控中子源通过中子加速部连接中子探测器。本发明利用可控中子源及高分辨率的双LaBr₃探测器，可以提高C、Mg等元素含量测量精度及纵向分辨率，增加测量信息，实现同时确定地层元素及矿物含量、孔隙度等参数；具有减小环境危害，丰富地层有效信息等特点。

Description

基于可控中子源的双LaBr3探测器元素能谱测井仪及测井方法

技术领域

本发明涉及石油及天然气勘探领域，尤其涉及一种利用D-T可控中子源及双LaBr₃探测器的元素能谱测井仪及测井方法。

背景技术

随着油气田勘探开发的不断深入，非常规储集层如火成岩、变质岩以及页岩气等领域的研究与评价越来越受到重视，而复杂储层的岩性识别是石油测井解释中的难题之一，元素俘获能谱测井通过记录俘获伽马能谱得到元素含量，根据元素含量和矿物含量转化关系得到标准矿物，从而用于复杂岩性识别和划分，在复杂岩性及页岩气等非常规储层评价中起到了重要作用。

目前能够进行元素含量确定测井方法主要有斯伦贝谢公司的ECS（Elemental CaptureSpectroscopy）、哈里伯顿公司的GEM（Geochemical logging）及贝克休斯公司的FLS（FormationLithology Spectrometer）。ECS仪器由16-Ci的²⁴¹Am-Be中子源和1个BGO晶体探测器组成，只利用俘获伽马能谱确定元素含量，可以测量Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素的含量；GEM仪器采用²⁴¹Am-Be同位素中子源和1个BGO晶体探测器，采用优化的中子和伽马射线屏蔽来提高信噪比，测井过程中能够实时输出元素含量进行地层岩性评价；FLS使用高频率的D-T脉冲中子发生器和1个BGO晶体闪烁探测器组成，记录俘获伽马能谱，通过谱分析得到元素产额，包括Ca、Si、Mg、C、S、Al、Fe、Ti、Gd、Mn等。

现有的元素能谱测井仪器主要采用Am-Be中子源，易造成人身和环境放射性损害；由于Am-Be中子源发射中子平均能量低，非弹伽马能谱不明显，不能准确定C、Mg等元素含量，无法进行有机碳含量确定及白云岩识别。FLS虽然采用脉冲中子源，但仍采用BGO单探测器，不能进行孔隙度等参数的确定；采用的BGO探测器的伽马射线能量分辨率偏低，伽马射线干扰严重。

发明内容

本发明的任务在于解决现有技术中元素能谱测井方式存在的技术缺陷，提供一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，以及一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪的测井方法。

其技术解决方案是：

一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，包括筒状壳体，在筒状壳体内从上到下设置有一号LaBr₃探测器、二号LaBr₃探测器、可控中子源、中子加速部与中子探测器；在一号LaBr₃探测器的顶部连接有一号LaBr₃探测器光电倍增管，在二号LaBr₃探测器的顶部与一号LaBr₃探测器的底部之间设置有铬片，上述一号LaBr₃探测器光电倍增管、一号LaBr₃探测器、铬片与二号LaBr₃探测器设置在一个位于筒状壳体中的硼套体内；在可控中子源与硼套体之间设置有屏蔽体，可控中子源通过中子加速部连接中子探测器。

上述的可控中子源为产额为2×10⁸/秒的D-T脉冲中子源。

上述各LaBr₃探测器为相对¹³⁷Cs释放射线分辨率为3%、晶体密度为5.5g/cm³、衰减时间16ns的闪烁晶体探测器；各LaBr₃探测器记录中子源发射中子与地层元素原子核作用所产生的非弹性散射及俘获伽马射线，记录伽马射线能量为0.6-10.2MeV；一号LaBr₃探测器的直径为40-60mm，长度为90-120mm，一号LaBr₃探测器到脉冲中子源的距离50-60cm；二号LaBr₃探测器的直径为40-60mm，长度为30-50mm，二号LaBr₃探测器到脉冲中子源的距离为25-30cm。

上述各LaBr₃探测器采集的硼俘获伽马能谱能量范围为0.1MeV-0.6MeV，分为256道。

一种如权利要求1所述的基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪的测井方法，包括以下步骤：

a设定D-T脉冲中子源脉冲发射时序，D-T脉冲中子源的工作周期为125ms，每个工作周期包括两个阶段；第一阶段包括1000个短周期，每个短周期时间为120μs，第二个阶段包括50个时间为100μs的短周期；

b由一号LaBr₃探测器和二号LaBr₃探测器同时记录非弹性散射伽马射线及俘获伽马射线；处于上述第一阶段时，中子源在每个短周期内的0-50μs发射能量为14MeV的中子，在15-50μs时间段由各LaBr₃探测器记录非弹性散射伽马射线，在50-120μs中子源停止工作，并记录60-120μs时间段俘获伽马射线；处于第二个阶段时，中子源在每个短周期内不发射中子，由各LaBr₃探测器在每个短周期内记录本底伽马射线；

c地层元素含量的确定，利用数值模拟与实验相结合的手段，建立针对本仪器的常见元素标准伽马能谱，对一号LaBr₃探测器和二号LaBr₃探测器记录伽马射线所形成的非弹性散射伽马能谱及俘获伽马能谱进行联合处理，并确定出地层C、Al、Mg、Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素百分含量，二号LaBr₃探测器用以提高仪器纵向分辨率。

利用上述一号、二号LaBr₃探测器硼俘获伽马能谱中0.36MeV-0.56MeV伽马射线的计数率比值代替热中子比值确定地层孔隙度。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明利用可控D-T脉冲中子源发射14MeV快中子，丰富地层测量信息，减小放射性危害；采用高分辨率的双LaBr₃探测器，提高伽马射线分辨率及仪器测量纵向分辨率；利用非弹性散射及俘获伽马能谱联合解谱，提高C、Mg、Al等元素含量确定精度，减小元素含量确定的不确定度；在仪器外侧增加硼套，利用硼俘获伽马射线计数比值代替热中子比值，确定地层孔隙度等参数，实现一次下井为储层评价提供更多的重要参数，为石油勘探与开发提供有效的技术支持。

附图说明

图1为本发明中基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪一种实施方式的结构原理示意图。

图中，1．一号LaBr₃探测器光电倍增管，2．硼套体，3．一号LaBr₃探测器，4．铬片，5．二号LaBr₃探测器的铝外壳，6．二号LaBr₃探测器，7．屏蔽体，8．可控中子源，9．中子加速部，10．中子探测器。

图2为本发明中D-T脉冲中子源的发射时序图。

图3为孔隙度30%，井眼流体为水，含油饱和度100%条件下，使用BGO、NaI、LaBr₃探测器测量得到的俘获伽马能谱图。

图4为碳、钙、镁、氧、硅元素标准非弹性散射伽马能谱图。

图5为钛、铁、硅、钙元素标准俘获伽马能谱图。

图6为某地层非弹伽马能谱拟合结果对比关系图。

图7为某地层非弹性散射伽马能谱图。

图8为孔隙度与硼俘获伽马射线计数比值响应关系图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明的保护范围。

结合图1，一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，包括筒状壳体，在筒状壳体内从上到下设置有一号LaBr₃探测器、二号LaBr₃探测器、可控中子源、中子加速部与中子探测器；在一号LaBr₃探测器的顶部连接有一号LaBr₃探测器光电倍增管，在二号LaBr₃探测器的顶部与一号LaBr₃探测器的底部之间设置有铬片，上述一号LaBr₃探测器光电倍增管、一号LaBr₃探测器、铬片与二号LaBr₃探测器设置在一个位于筒状壳体中的硼套体内；在可控中子源与硼套体之间设置有屏蔽体，可控中子源通过中子加速部连接中子探测器。

优选地，上述的可控中子源为产额为2×10⁸/秒的D-T脉冲中子源。

优选地，上述各LaBr₃探测器为相对¹³⁷Cs释放射线分辨率为3%、密度为5.5g/cm³、衰减时间16ns的闪烁晶体探测器；各LaBr₃探测器记录中子源发射中子与地层元素原子核作用所产生的非弹性散射及俘获伽马射线，采集低、高能范围非弹及俘获伽马能谱；一号LaBr₃探测器的直径为40-60mm，长度为90-120mm，一号LaBr₃探测器到脉冲中子源的距离50-60cm；二号LaBr₃探测器的直径为40-60mm，长度为30-50mm，二号LaBr₃探测器到脉冲中子源的距离为25-30cm。

优选地，上述各LaBr₃探测器采集的低能伽马射线能量范围为0.1MeV-0.6MeV；高能伽马射线能量范围为0.6MeV-10.2MeV

结合图2，一种上述基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪的测井方法，包括步骤：

a设定D-T脉冲中子源脉冲发射时序，D-T脉冲中子源的工作周期为125ms，每个工作周期包括两个阶段；第一阶段包括1000个短周期，每个短周期时间为120μs，第二个阶段包括50个时间为100μs的短周期；

b由一号LaBr₃探测器和二号LaBr₃探测器同时记录非弹性散射伽马射线及俘获伽马射线；处于上述第一阶段时，中子源在每个短周期内的0-50μs发射能量为14MeV的中子，在15-50μs时间段由各LaBr₃探测器记录非弹性散射伽马射线，在60-120μs中子源停止工作，并记录60-120μs时间段俘获伽马射线；处于第二个阶段时，中子源在每个短周期内停止发射能量为14MeV的中子，由各LaBr₃探测器在每个短周期内记录本底伽马射线；

c地层元素含量的确定，利用数值模拟与实验相结合的手段，建立地层常见元素标准伽马能谱，对一号LaBr₃探测器和二号LaBr₃探测器记录伽马射线所形成的非弹性散射伽马能谱及俘获伽马能谱进行联合处理，并确定出地层元素百分含量。

上述步骤c中，利用一号、二号LaBr₃探测器采集低能范围伽马能谱中0.36MeV-0.56MeV的伽马射线的计数率比值代替热中子比值确定地层孔隙度。

本发明可有以下几种具体应用之情形：

1.计算地层元素百分含量

根据快中子与地层元素原子核作用的基本理论，采用理论与数值模拟相结合的手段得到硅、钙、镁，铝，碳等元素的标准非弹伽马能谱，以及钙、硅、硫、铁、钛、钆、锰等元素的标准俘获伽马能谱。结合参看图3、图4与图5。

将测量谱及标准谱进行归一化，以标准谱为基础，采用约束加权最小二乘法对非弹性散射伽马能谱及俘获伽马能谱进行谱数据处理，非弹谱处理得到硅、钙、镁，铝，碳等元素产额，俘获谱处理得到钙、硅、硫、铁、钛、钆、锰等元素产额。

进行现场试验刻度，得到基于脉冲中子源的双探测器地层元素测井元素的测量灵敏度因

子。采用美国专利（NO.4810876、NO.5471057）中使用方法，设F是随深度而变化的归一化因子，Y_i为元素i的相对产额，S_i为元素i的探测灵敏度因子，W_i为元素i百分含量，则相对产额与元素百分含量的关系为：

$W_i=F\frac{Y_i}{S_i}---\left(1\right)$

式中F通过地层元各素百分含量之和为1，建立闭合模型：

$F\left[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{Y_i}{S_i}\right]=1---\left(2\right)$

结合公式（1）及公式（2）确定地层元素含量。但对于有些元素如Si、Ca、Fe的产额既可以通过俘获谱求取又可以通过非弹谱求取，因此提出针对不同的测井条件，采用两者加权的方法确定元素含量：

W_i＝aW_Ci+bW_Ii      （3）

式中：W_Ci为通过俘获伽马能谱求取的元素i的百分含量；

W_Ii为通过非弹性散射伽马能谱求取的元素i的百分含量；

a、b为取决于井眼尺寸、流体流行、地层水矿化度的系数。

实例分析：

参看图6、图7，利用本发明测量已知成分组成的地层，地层骨架为石英、正长石、斜长石、方解石、白云石、伊利石、绿泥石、黄铁矿及有机质，仪器贴井壁测量，井眼直径为20cm，井眼流体为淡水，记录非弹性散射及俘获伽马能谱，地层非弹性散射伽马能谱如图7所示，计算部分地层元素含量如表2所示。

表2计算地层元素含量

可以看出，利用俘获伽马能谱计算C、Mg、Al含量误差偏大，基本不能用于地层评价；利用非弹伽马能谱与俘获伽马能谱联合计算地层C、Mg、Al含量，相对误差要明显小于单独利用俘获伽马能谱，相对误差在5%左右，能够满足工程测井需求。

2.计算硼中子伽马孔隙度

元素俘获界面越大，吸收热中子能力越强，硼元素的热中子俘获截面达到772c.u，因此利用一、二号LaBr₃探测器硼中子伽马计数率的比值确定地层孔隙度，相对其他方法更为准确定。考虑到探测器能峰展宽效应，选取低能范围伽马能谱中0.36MeV-0.56MeV范围内硼中子伽马计数率。在已知井眼、地层条件下，进行刻度井实验。依据实验关系建立如下确定孔隙度响应关系如图8所示，公式为：

式中：a、b、c为根据井眼及地层条件确定的井眼条件系数

N₁：近探测器硼中子伽马射线计数率；

N₂：远探测器硼中子伽马射线计数率；

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

Claims (6)

1.一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，其特征在于包括筒状壳体，在筒状壳体内从上到下设置有一号LaBr₃探测器、二号LaBr₃探测器、可控中子源、中子加速部与中子探测器；在一号LaBr₃探测器的顶部连接有一号LaBr₃探测器光电倍增管，在二号LaBr₃探测器的顶部与一号LaBr₃探测器的底部之间设置有铬片，上述一号LaBr₃探测器光电倍增管、一号LaBr₃探测器、铬片与二号LaBr₃探测器设置在一个位于筒状壳体中的硼套体内；在可控中子源与硼套体之间设置有屏蔽体，可控中子源通过中子加速部连接中子探测器。

2.根据权利要求1所述的一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，其特征在于：上述的可控中子源为产额为2×10⁸/秒的D-T脉冲中子源。

3.根据权利要求1所述的一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，其特征在于：上述各LaBr₃探测器为相对¹³⁷Cs释放射线分辨率为3%、晶体密度为5.5g/cm³、衰减时间16ns的闪烁晶体探测器；各LaBr₃探测器记录中子源发射中子与地层元素原子核作用所产生的非弹性散射及俘获伽马射线，记录伽马射线能量为0.6-10.2MeV；一号LaBr₃探测器的直径为40-60mm，长度为90-120mm，一号LaBr₃探测器到脉冲中子源的距离50-60cm；二号LaBr₃探测器的直径为40-60mm，长度为30-50mm，二号LaBr₃探测器到脉冲中子源的距离为25-30cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪，其特征在于：上述各LaBr₃探测器采集的硼俘获伽马能谱能量范围为0.1MeV-0.6MeV，分为256道。

5.一种如权利要求1所述的基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪的测井方法，其特征在于包括以下步骤：

a设定D-T脉冲中子源脉冲发射时序，D-T脉冲中子源的工作周期为125ms，每个工作周期包括两个阶段；第一阶段包括1000个短周期，每个短周期时间为120μs，第二个阶段包括50个时间为100μs的短周期；

b由一号LaBr₃探测器和二号LaBr₃探测器同时记录非弹性散射伽马射线及俘获伽马射线；处于上述第一阶段时，中子源在每个短周期内的0-50μs发射能量为14MeV的中子，在15-50μs时间段由各LaBr₃探测器记录非弹性散射伽马射线，在50-120μs中子源停止工作，并记录60-120μs时间段俘获伽马射线；处于第二个阶段时，中子源在每个短周期内不发射中子，由各LaBr₃探测器在每个短周期内记录本底伽马射线；

c地层元素含量的确定，利用数值模拟与实验相结合的手段，建立针对本仪器的常见元素标准伽马能谱，对一号LaBr₃探测器和二号LaBr₃探测器记录伽马射线所形成的非弹性散射伽马能谱及俘获伽马能谱进行联合处理，并确定出地层C、Al、Mg、Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素百分含量，二号LaBr₃探测器用以提高仪器纵向分辨率。

6.根据权利要求5所述的一种基于可控中子源的双LaBr₃探测器元素能谱测井仪的测井方法，其特征在于：利用一号、二号LaBr₃探测器硼俘获伽马能谱中0.36MeV-0.56MeV伽马射线的计数率比值代替热中子比值确定地层孔隙度。

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