CN107288629B - 一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法 - Google Patents

一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法 Download PDF

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    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells

Abstract

本发明公开了一种基于新型n‑γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法，具体涉及石油天然气开发领域。该测井方法采用了1个D‑T可控中子源和1个Cs2LiYCl6双粒子探测器组成的测量系统，可同时记录来自地层的伽马和中子信息；结合非弹性散射伽马场分布理论，建立了利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型，获得对应的地层密度，为中子伽马密度测井仪器设计及数据处理方法提供了技术支持和理论指导。

Description

一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法
技术领域
本发明涉及石油天然气开发领域，具体涉及一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法。
背景技术
近年来，新型探测器在核测井、核医学、高能物理、安全检查等方面得到了广泛应用，特别是Cs2LiYCl6晶体探测器具有同时探测伽马和中子的能力，已成为核技术应用领域的热点和前沿课题。
目前，中子伽马密度测井技术多采用两个或两个以上的探测器；利用非弹性散射伽马信息进行地层密度测量，并采用快中子或热中子信息进行含氢指数校正。但多探测器设计会占用较大的仪器空间，这对仪器结构、电子线路、探测器尺寸及位置具有严格的要求，同时还会增加仪器设计成本。新型n-γ双粒子探测器在核测井上的应用，可以取代现有的伽马和中子探测器进行信息采集，为中子伽马密度测井仪器设计和测量方法提供新的思路。
发明内容
本发明的目的是基于Cs2LiYCl6探测器能够同时探测伽马和中子的特性，提供了一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法，采用了一种测量系统，该测量系统包括仪器外壳，仪器内部设有1个D-T可控中子源和1个Cs2LiYCl6探测器，具体包括以下步骤：
步骤一：通过上述测量系统记录来自地层的非弹性散射伽马和快中子信息；
步骤二：结合非弹性散射伽马场分布，建立利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型，获得地层密度。
优选地，所述Cs2LiYCl6探测器为能够同时测量中子和伽马的双粒子探测器。
优选地，所述Cs2LiYCl6探测器源距R为65cm。
优选地，所述步骤二中，数学模型的具体建立过程为：在实际测井条件下，源距为R的Cs2LiYCl6探测器记录的非弹性散射伽马计数表示如下：
Figure BDA0001359022530000011
其中，S0为中子源强度，λs为快中子散射自由程，μm为非弹性散射伽马射线质量吸收系数，ρ为地层密度，i为一个快中子与原子核发生非弹性碰撞平均释放的伽马光子数，R为探测器源距，Σin为地层宏观非弹性散射截面，α为比例系数；
基于Cs2LiYCl6探测器同时探测伽马和快中子的特性，采用Cs2LiYCl6探测器同时记录快中子计数来表征快中子散射自由程对非弹性散射伽马计数的影响，
Figure BDA0001359022530000021
因此，非弹性散射伽马计数可表征为：
Figure BDA0001359022530000022
根据式(3)，得到利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息进行地层密度测量的测量式为：
Figure BDA0001359022530000023
当探测器源距R大于40cm时，非弹性散射截面Σin变化的影响可以忽略，式(4)可简写为
Figure BDA0001359022530000024
其中，A、B和C是常数，与探测器源距R和中子源强S0相关。
仪器内部还包括电子线路，电子线路位于D-T可控中子源和Cs2LiYCl6探测器之间，D-T可控中子源、电子线路和Cs2LiYCl6探测器三者之间设有屏蔽体。
本发明具有如下有益效果：该方法采用1个可控中子源和1个Cs2LiYCl6探测器组成的测量系统，能够在同一位置对来自地层的伽马射线和快中子进行同时测量；结合非弹性散射伽马场分布理论，建立利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型，形成一种基于Cs2LiYCl6单探测器的中子伽马密度测井方法，为中子伽马密度测井提供了技术支持和理论指导。
附图说明
图1为基于新型n-γ双粒子探测器的随钻中子伽马密度仪器-地层模型；
图2为图1的侧视图。
其中，1为外壳，2为D-T中子源，3为屏蔽体，4为电子线路，5为Cs2LiYCl6探测器，6为刻度井，7为井眼水，8为钻铤，9为泥浆导流通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1-图2所示，一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法，采用了一种测量系统，该测量系统包括仪器外壳1，仪器内部设有1个D-T可控中子源2和1个Cs2LiYCl6探测器5，具体包括以下步骤：
步骤一：通过上述测量系统记录来自地层的非弹性散射伽马和快中子信息；
步骤二：结合非弹性散射伽马场分布，建立利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型，获得地层密度。
Cs2LiYCl6探测器为能够同时测量中子和伽马的双粒子探测器。
Cs2LiYCl6探测器源距R为65cm。
其中，利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型为：
Figure BDA0001359022530000031
步骤二中，数学模型的具体建立过程为：在实际测井条件下，源距为R的Cs2LiYCl6探测器记录的非弹性散射伽马计数表示如下：
Figure BDA0001359022530000032
其中，S0为中子源强度，λs为快中子散射自由程，μm为非弹性散射伽马射线质量吸收系数，ρ为地层密度，i为一个快中子与原子核发生非弹性碰撞平均释放的伽马光子数，R为探测器源距，Σin为地层宏观非弹性散射截面，α为比例系数；
基于Cs2LiYCl6探测器同时探测伽马和快中子的特性，采用Cs2LiYCl6探测器同时记录快中子计数来表征快中子散射自由程对非弹性散射伽马计数的影响，
Figure BDA0001359022530000033
因此，非弹性散射伽马计数可表征为：
Figure BDA0001359022530000034
根据式(3)，得到利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息进行地层密度测量的测量式为：
Figure BDA0001359022530000035
当探测器源距R大于40cm时，非弹性散射截面Σin变化的影响可以忽略，式(4)可简写为
Figure BDA0001359022530000041
其中，A、B和C是常数，与探测器源距R和中子源强S0相关。
仪器内部还包括电子线路4，电子线路4位于D-T可控中子源2和Cs2LiYCl6探测器5之间，D-T可控中子源2、电子线路4和Cs2LiYCl6探测器5三者之间设有屏蔽体3。
上述D-T可控中子源2，脉冲宽度为20μs，工作周期100μs，源强为1×108n/s，中子能量为14.2MeV。
上述源和探测器之间采用的屏蔽体为钨镍铁屏蔽体，厚度为5cm。
上述Cs2LiYCl6探测器到中子源距离为65cm，长度为15cm。
上述探测器记录快中子和非弹性散射伽马的时间窗为0-20μs，快中子能窗为1.0-14.2MeV，非弹性散射伽马能窗为0.01-8.5MeV。
本发明中子伽马密度测井方法具体包括以下步骤：
步骤1、将图1所示的测量系统放置在孔隙度为1p.u.，10p.u.，20p.u.，30p.u.，40p.u.的刻度井6进行测量；刻度井6填充饱含水石灰岩，刻度井6中心设有直径20cm的井眼7，且充满淡水；钻铤8位于井眼7中，仪器放置在钻铤8内部，且仪器一侧紧贴刻度井6井壁；钻铤8下偏心设有泥浆导流通道9，且泥浆导流通道9内充满水。通过Cs2LiYCl6探测器记录不同孔隙度刻度井条件下的非弹性散射伽马计数和快中子计数，如表1所示。
表1不同刻度井条件下的非弹性散射伽马计数和快中子计数
Figure BDA0001359022530000042
步骤2、根据单探测器中子伽马密度算法，不同刻度井条件下的非弹性散射伽马计数率和快中子计数率与地层密度存在如下关系
Figure BDA0001359022530000043
利用式(6)对不同刻度井条件下的非弹性散射伽马计数率和快中子计数率进行拟合，确定密度算法系数A、B和C。
步骤3、利用仪器对未知密度的地层进行测量，通过Cs2LiYCl6探测器记录快中子和非弹性散射伽马计数；利用式(6)提供的密度算法，得到实际地层密度。
利用上述具体实施方案，通过数据拟合得到系数A、B和C，密度计算结果如表2所示；通过伽马和快中子直接计算的地层密度与实际密度相吻合，计算结果不再受含氢指数影响。
表2密度计算结果
孔隙度(p.u.) 真密度(g/cm<sup>3</sup>) 计算密度(g/cm<sup>3</sup>) 相对误差(g/cm<sup>3</sup>)
5 2.6245 2.6242 -0.0003
15 2.4535 2.4258 -0.0277
25 2.2825 2.2632 -0.0193
35 2.1115 2.1180 0.0065
45 1.9405 1.9877 0.0472
相比现有技术，本发明采用新型双粒子探测器，设计了1个可控中子源和1个Cs2LiYC16探测器组成的测量系统，能够同时对来自地层的伽马射线和中子进行测量；结合非弹伽马场分布理论，得到了利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型，形成基于Cs2LiYC16单探测器的中子伽马密度测井方法，为中子伽马密度测井提供了技术支持和理论指导。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法，其特征在于，采用了一种测量系统，该测量系统包括仪器外壳，仪器内部设有1个D-T可控中子源和1个Cs2LiYCl6探测器，Cs2LiYCl6探测器为能够同时测量中子和伽马的双粒子探测器，具体包括以下步骤：
步骤一：通过上述测量系统记录来自地层的非弹性散射伽马和快中子信息；
步骤二：结合非弹性散射伽马场分布，建立利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息表征地层密度的数学模型，获得地层密度；
所述步骤二中，数学模型的具体建立过程为：在实际测井条件下，源距为R的Cs2LiYCl6探测器记录的非弹性散射伽马计数表示如下：
Figure FDA0002455503240000011
其中，S0为中子源强度，λs为快中子散射自由程，μm为非弹性散射伽马射线质量吸收系数，ρ为地层密度，i为一个快中子与原子核发生非弹性碰撞平均释放的伽马光子数，R为探测器源距，Σin为地层宏观非弹性散射截面，α为比例系数；
基于Cs2LiYCl6探测器同时探测伽马和快中子的特性，采用Cs2LiYCl6探测器同时记录快中子计数来表征快中子散射自由程对非弹性散射伽马计数的影响，
Figure FDA0002455503240000012
因此，非弹性散射伽马计数可表征为：
Figure FDA0002455503240000013
根据式(3)，得到利用单探测器的非弹性散射伽马和快中子信息进行地层密度测量的测量式为：
Figure FDA0002455503240000014
当探测器源距R大于40cm时，非弹性散射截面Σin变化的影响可以忽略，式(4)可简写为
Figure FDA0002455503240000015
其中，A、B和C是常数，与探测器源距R和中子源强S0相关。
2.如权利要求1所述的一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法，其特征在于，所述Cs2LiYCl6探测器源距R为65cm。
3.如权利要求1所述的一种基于新型n-γ双粒子探测器的中子伽马密度测井方法，其特征在于，所述外壳内还包括电子线路，电子线路位于D-T可控中子源和Cs2LiYCl6探测器之间，D-T可控中子源、电子线路和Cs2LiYCl6探测器三者之间设有屏蔽体。
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