CN108643890B - 一种确定地层孔隙度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定地层孔隙度的方法。该方法包括如下步骤：获取待检测地层的密度；采用脉冲中子源向待检测地层发射快中子，产生热中子，并采用与该脉冲中子源具有不同距离的两个探测器获取热中子计数率和热中子时间谱；根据两个探测器的热中子计数率确定热中子计数比，并根据热中子时间谱确定待检测地层的俘获截面；建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型；根据该关系模型，以及所获取的待检测地层的密度、所确定的热中子计数比和待检测地层的俘获截面，确定待检测地层的孔隙度。上述方法，由于消除了地层俘获和地层岩性的影响，从而能够用于脉冲中子源孔隙度测井准确确定地层的孔隙度。

Description

一种确定地层孔隙度的方法

技术领域

本发明涉及油气勘探中的测井技术领域，具体涉及一种确定地层孔隙度的方法。

背景技术

地层孔隙度是石油地质以及储层评价中一个非常重要的地质参数，精确测量地层的孔隙度对油气开发和勘探有极其重要的意义。

中子孔隙度测井是常规孔隙度岩性测井系列组合中占主导地位的测井方法。随着社会的发展和科技的进步，人们对环保和健康的要求越来越高，传统的使用镅铍源等化学源的中子孔隙度测井的使用越来越受到限制。相较于传统化学源的中子孔隙度测井，脉冲中子孔隙度测井具有更高的安全性，因而逐渐受到各石油公司和研究机构的重视。

但是，由于脉冲源发射的快中子具有非常高的能量，容易导致脉冲中子孔隙度测井对地层孔隙度的灵敏度降低，并且受地层俘获作用的影响更大。地层水矿化度对在不同孔隙度地层测量的热中子比的影响可参见图1；地层水矿化度对高孔隙度地层与低孔隙地层近远探测器的计数率以及近远探测器热中子比的影响可参见图2。根据图1和图2可知，由于受到了地层俘获和地层岩性的影响，所以采用目前的技术手段所测知的地层孔隙度并不十分精确，在一定程度上制约了油气的开发和勘探。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种确定地层孔隙度的方法，通过建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型，消除地层俘获和地层岩性的影响，从而能够准确确定地层孔隙度。

为实现上述目的，本发明提供一种确定地层孔隙度的方法，包括如下步骤：

获取待检测地层的密度；

采用脉冲中子源向待检测地层发射快中子，产生热中子，并采用与该脉冲中子源具有不同距离的两个探测器获取热中子计数率和热中子时间谱；

根据两个探测器的热中子计数率确定热中子计数比，并根据热中子时间谱确定待检测地层的俘获截面；

建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型；

根据该关系模型，以及所获取的待检测地层的密度、所确定的热中子计数比和待检测地层的俘获截面，确定所述待检测地层的孔隙度。

根据本发明所提供的方法，通过建立地层孔隙度、两个探测器的热中子计数比、地层俘获截面和密度之间的数学关系式，即关系模型，并根据该关系模型确定地层孔隙度。该方法可以无需考虑测井资料是否齐全，也无需考虑地层孔隙度的大小、地层水矿化度的大小以及地层岩性和泥质等因素，就能够确定地层孔隙度，同时还消除了地层俘获和岩性对脉冲中子孔隙度测井的影响，从而为脉冲中子孔隙度测井求得更为准确的地层孔隙度提供理论支持和技术支持。

具体的，建立上述待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型的步骤包括：

确定待检测地层的密度和孔隙度与快中子减速长度之间的对应关系，记为第一关系；

确定待检测地层的俘获截面、密度和孔隙度与热中子扩散长度之间的对应关系，记为第二关系；

根据探测器到脉冲中子源之间的距离与热中子计数之间的函数关系，确定上述距离、热中子计数比、热中子扩散长度和快中子减速长度之间的对应关系，记为第三关系；

根据上述第一关系、第二关系和第三关系，建立上述关系模型。

本发明中，采用脉冲中子源(亦称为中子发生器、加速器中子源)以脉冲的形式向待检测地层发射快中子。快中子进入待检测地层，与待检测地层中的元素原子核发生非弹性散射、弹性散射，使快中子的能量降低。这样，脉冲中子源所发射的快中子经过多次的非弹性散射和弹性散射变成热中子。最后由距离脉冲中子源不同距离的两个探测器(为简述方便，以下分别称为“近探测器”和“远探测器”)测量经过地层慢化并扩散回井眼的热中子。

在快中子变成热中子的上述过程中，快中子减速长度主要与地层含氢指数有关。但是由于非弹性散射不能忽略，所以快中子减速长度也会受到地层密度的影响，这样快中子减速长度可以认为是地层含氢指数与地层密度的函数，因此，可建立待检测地层密度ρ和地层含氢指数HI与快中子减速长度L_e之间的对应关系，如式(1)所示：

式(1)中，c为常数。

由于在淡水石灰岩地层中，地层含氢指数HI等于地层孔隙度

因此，可确定待检测地层的密度ρ和孔隙度

与快中子减速长度L_e之间的对应关系，即为第一关系：

热中子扩散长度L_t与待检测地层的俘获截面∑_a有关，二者的具体对应关系参见下式(2)：

其中，D_t为热中子扩散系数，其具体可表示为：

其中，μ为常数，一般取0.637；∑_s为快中子散射截面。于是，根据式(2)和式(3)，可确定待检测地层的俘获截面∑_a、密度ρ和孔隙度

与热中子扩散长度L_t之间的对应关系，即为第二关系：

上述第二关系中，d为常数。

热中子通量指的是单位时间内通过单位面积的热中子数，为热中子密度与其平均速度的乘积。在均匀无限介质中，对于点状中子源，源距为r的探测器的热中子通量Φ(r)为：

由式(4)可知，热中子通量的分布不仅取决于地层的快中子减速性质(L_e)，而且与待检测地层的吸收性质(D_t，L_t)有关。

由于热中子通量与热中子计数率成正比，所以可根据两个探测器的热中子通量确定热中子计数比。于是，根据上述式(4)即可确定热中子计数比R，如下式(5)所示：

式(5)中，r₁、r₂分别为两个探测器与脉冲中子源之间的距离(源距)，其中r₁为近探测器与脉冲中子源之间的距离，r₂为远探测器与脉冲中子源之间的距离。

由于快中子减速长度L_e大于热中子扩散长度L_t，所以目前在确定地层孔隙度时，一般认为

可忽略不计。但是由于地层俘获作用对测量结果影响较大，尤其是对脉冲中子孔隙度测井，因此

不能忽略不计。

如上所述，由于热中子扩散长度L_t小于快中子减速长度L_e，因此，根据泰勒展开公式，可根据式(5)进一步确定探测器与脉冲中子源之间的距离(r₁、r₂)、热中子计数比R、热中子扩散长度L_t和快中子减速长度L_e之间的对应关系，即为第三关系，如下：

这样，将快中子减速长度L_e和热中子扩散长度L_t的表达式(即第一关系和第二关系的表达式)代入上述第三关系的表达式，即可获得待检测地层的孔隙度

与待检测地层的密度ρ、俘获截面∑_a以及热中子计数比R之间的关系，如下式(6)：

其中，a_i(即a₁到a₉)为系数。因为第三关系的表达式中的泰勒展开式是近似的，只保留展开式的前一项或前两项，所以需要对上述式(6)进行修正，修正后即得到待检测地层的孔隙度

与待检测地层的密度ρ、俘获截面∑_a以及热中子计数比R之间的关系模型，如下：

其中，a_i(即a₁到a₁₀)为系数。

采用上述关系模型，即可对不同孔隙度和岩性的地层求出更准确的地层孔隙度。

具体的，上述待检测地层可以具体可以是含有碳酸盐岩、砂岩、白云岩或泥岩等的复杂地层。待检测地层的密度可采用密度测井来确定，其为本领域常规技术手段，不做特别说明。

钻头从地表钻至完钻井深所形成的地底与地表的井筒通道为井眼，一般为柱状。在本发明具体实施过程中，将脉冲中子源和两个探测器均轴向设置在井眼中，其中两个探测器与脉冲中子源之间具有不同的距离，比如可将近探测器设置在脉冲中子源与远探测器之间。

在本发明具体实施过程中，采用脉冲中子源向待检测地层所发射的快中子的初始能量为14兆电子伏特(14MeV)，可利用热中子衰减时间谱或俘获伽马时间谱来求取地层的俘获截面。

具体的，脉冲中子源以脉冲的形式向待检测地层发射快中子；探测器测量快中子经过地层慢化并扩散回井眼后的热中子，并获取热中子计数率和热中子时间谱。其中，采用与脉冲中子源具有相对较长距离的探测器(即远探测器)获取热中子时间谱。

上述探测器和脉冲中子源均可以采用本领域常规的仪器，比如脉冲中子源具体可以是目前常用的D-T型中子发生器；所用的两个探测器可均为³He管探测器。

进一步的，上述方法还可以包括：对未进入待检测地层的快中子进行屏蔽的步骤。在本发明具体实施过程中，是在近探测器与脉冲中子源之间设置屏蔽体，以屏蔽未经过待检测地层慢化而直接进入探测器的中子，以获得更为准确的热中子计数率等。

本发明提供的确定地层孔隙度方法，通过建立地层孔隙度、热中子计数比、地层俘获截面和密度之间的关系模型，以确定地层孔隙度。该方法可以无需考虑测井资料是否齐全，也无需考虑地层孔隙度的大小、地层水矿化度的大小以及地层岩性和泥质的性质，就能够消除地层俘获和岩性对脉冲中子孔隙度测井的影响，从而为脉冲中子孔隙度测井求得更为准确的地层孔隙度提供理论支持和技术支持。

并且，该方法所用仪器设备均为本领域常规的仪器设备，便于操作、实施和测试。

附图说明

图1为地层水矿化度对在不同孔隙度地层测量的热中子比的影响；

图2为地层水矿化度对高孔隙度地层与低孔隙地层近远探测器的计数率以及近远探测器热中子比的影响；

图3为本发明实施例所提供的确定地层孔隙度的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例所提供的中子脉冲序列示意图；

图5为本发明实施例提供的确定地层孔隙度的方法对含有碳酸盐岩地层的校正效果；

图6为本发明实施例提供的确定地层孔隙度的方法对含有砂岩地层的校正效果；

图7为本发明实施例提供的确定地层孔隙度的方法对含有白云岩地层的校正效果；

图8为本发明实施例所提供的用于确定地层孔隙度的装置。

附图标记说明：

100-待检测地层；110-井眼；1-脉冲中子源；

2-近探测器；3-远探测器；4-屏蔽体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种确定地层孔隙度的方法，如图3所示，具体包括如下步骤：

S1、获取待检测地层的密度；

S2、采用脉冲中子源向所述待检测地层发射快中子，产生热中子，并采用与该脉冲中子源具有不同距离的两个探测器获取热中子计数率和热中子时间谱；

S3、根据两个探测器的热中子计数率确定热中子计数比，并根据热中子时间谱确定待检测地层的俘获截面；

S4、建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型；

S5、根据上述关系模型，以及所获取的待检测地层的密度、所确定的热中子计数比和待检测地层的俘获截面，确定待检测地层的孔隙度。

步骤S1中，所述的待检测地层，可以是具有不同岩性的地层，比如含有不同含量的碳酸盐岩、砂岩或白云岩的地层。上述待检测地层的密度具体可采用密度测井获取。

步骤S2中，采用脉冲中子源向待检测地层发射快中子，其脉冲序列如图4所示。

快中子进入待检测地层，与地层中的元素原子核相互作用，因释放能量而减速，所产生的热中子被两个探测器(近探测器和远探测器)所俘获。其中近探测器获取相应的热中子计数率，而远探测器获取热中子衰减时间谱以及相应的热中子计数率。

步骤S3中，根据两个探测器的热中子计数率确定热中子计数比，具体为：根据两个探测器记录得到的热中子计数率，求取热中子计数率比值，即为热中子计数比；通过热中子衰减时间谱上的不同时间窗，计算得到待检测地层的俘获截面。

步骤S4中，建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型，具体包括下述步骤S41至S44：

S41、确定待检测地层的密度和孔隙度与快中子减速长度之间的对应关系，记为第一关系；

具体的，首先建立快中子减速长度L_e与地层含氢指数HI和地层密度ρ之间的关系函数，如式(1)所示，其中c为常数：

由于地层含氢指数HI与地层孔隙度

一致，因此，可确定待检测地层的密度ρ和孔隙度

与快中子减速长度L_e之间的对应关系，即为第一关系：

S42、确定待检测地层的俘获截面、密度和孔隙度与热中子扩散长度之间的对应关系，记为第二关系；

具体的，热中子扩散长度L_t与待检测地层的俘获截面∑_a有关，二者的对应关系式参见下式(2)：

其中，D_t为热中子扩散系数，又可表示为：

其中，μ为常数，本实施例取值0.637；∑_s为快中子散射截面。于是，待检测地层的俘获截面∑_a、密度ρ和孔隙度

与热中子扩散长度L_t之间的对应关系，即第二关系为：

其中d为常数。

S43、根据探测器到脉冲中子源之间的距离与热中子计数比之间的函数关系，确定上述距离、热中子计数比、热中子扩散长度和快中子减速长度之间的对应关系，记为第三关系；

具体的，设脉冲中子源与探测器之间的距离(源距)为r，热中子通量Φ与该距离之间的函数关系为：

设近探测器器和远探测与脉冲中子源之间的距离分别为r₁、r₂，由于探测器的热中子通量与其热中子计数率成正比，因此根据式(4)，确定热中子计数比R为下式(5)：

进一步根据泰勒展开公式，式(5)可以确定探测器与脉冲中子源之间的距离(r₁、r₂)、热中子计数比R、热中子扩散长度L_t和快中子减速长度L_e之间的对应关系，即为下面的第三关系：

S44、根据上述第一关系、第二关系和第三关系，建立上述关系模型。

具体的，将上述第一关系和第二关系的表达式分别带入第三关系的表达式，得到待检测地层的孔隙度

与待检测地层的密度ρ、俘获截面∑_a以及热中子计数比R之间的关系，如下式(6)：

其中，a_i(即a₁到a₉)为系数。修正式(6)，得到待检测地层的孔隙度

与待检测地层的密度ρ、俘获截面∑_a以及热中子计数比R之间的关系模型，如下：

其中，a_i(即a₁到a₁₀)为系数。

根据上述关系模型，可以确定待检测地层的孔隙度。由于规避了地层俘获和岩性的影响，因此获得了较为准确的地层孔隙度。

图5至图7均是按照本实施例提供的方法所确定的地层孔隙度与实际地层孔隙度之间的对比结果，其中图5至图7中的待检测地层分别为碳酸盐岩地层、砂岩地层和白云岩地层。根据图5至图7可知，采用本实施例所提供的方法，获得的地层孔隙度结果与实际孔隙度高度吻合。因此，本发明的方法，能够获得非常准确的地层孔隙度。

本实施例还提供一种用于确定地层孔隙度的装置，其结构示意图可参考图8，该装置具体包括脉冲中子源1、近探测器2和远探测器3，且脉冲中子源1和上述两个探测器均设置在开设于待检测地层100的井眼110内，并沿井眼110的轴向设置。

具体的，脉冲中子源1为D-T型中子发生器；近探测器2和远探测器3均为³He管探测器。

上述装置的大致工作过程简述如下：

从脉冲中子源1中发射出的快中子进入待检测地层100，与待检测地层100的原子核经过多次的非弹性散射和弹性散射变成热中子，并被近探测器2和远探测器3所俘获和测量，从而获取热中子计数率和热中子时间谱。

进一步参考图6，在近探测器2与脉冲中子源1之间，还可以设有屏蔽体4，以防止未进入待检测地层100的快中子直接进入近探测器3，保证近探测器3测量结果的准确性。

然后，根据两个探测器的热中子计数率确定热中子计数比，并根据热中子时间谱确定待检测地层的俘获截面；

建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型；

根据该关系模型，以及所获取的待检测地层的密度、所确定的热中子计数比和待检测地层的俘获截面，确定所述待检测地层的孔隙度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种确定地层孔隙度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取待检测地层的密度；

采用脉冲中子源向所述待检测地层发射快中子，产生热中子，并采用与该脉冲中子源具有不同距离的两个探测器获取热中子计数率和热中子时间谱；

根据两个探测器的热中子计数率确定热中子计数比，并根据所述热中子时间谱确定待检测地层的俘获截面；

建立待检测地层的孔隙度与待检测地层的密度、俘获截面以及热中子计数比之间的关系模型；

根据所述关系模型，以及所获取的待检测地层的密度、所确定的热中子计数比和待检测地层的俘获截面，确定所述待检测地层的孔隙度；

所述关系模型为：

其中，

为待检测地层的孔隙度，a₁到a₁₀为系数，R为热中子通量比，Σ_a和ρ分别为待检测地层的俘获截面和密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述关系模型的步骤包括：

确定待检测地层的密度和孔隙度与快中子减速长度之间的对应关系，记为第一关系；

确定待检测地层的俘获截面、密度和孔隙度与热中子扩散长度之间的对应关系，记为第二关系；

根据探测器到脉冲中子源之间的距离与热中子计数比之间的函数关系，确定所述距离、热中子计数比、热中子扩散长度和快中子减速长度之间的对应关系，记为第三关系；

根据上述第一关系、第二关系和第三关系，建立所述关系模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一关系为：

其中，L_e为快中子减速长度，

为待检测地层的孔隙度，ρ为待检测地层的密度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二关系为：

其中，L_t为热中子扩散长度，Σ_a、ρ和

分别为待检测地层的俘获截面、密度和孔隙度，d为常数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据探测器到脉冲中子源之间的距离与热中子通量之间的关系，确定所述距离与热中子计数比之间的函数关系。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三关系为：

其中，R为热中子计数比；r₁、r₂分别为两个探测器与脉冲中子源之间的距离；L_t为热中子扩散长度；L_e为快中子减速长度。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向所述待检测地层所发射的快中子的初始能量为14兆电子伏特。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用与所述脉冲中子源具有相对较长距离的探测器获取所述热中子时间谱。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对未进入待检测地层的快中子进行屏蔽的步骤。

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