CN109444972A - 一种双能x射线测量地层密度测井装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双能X射线测量地层密度测井装置和方法，具体涉及石油及天然气勘探领域。该装置采用X射线管、电子加速管、监测探测器、远近两个NaI探测器。首先，利用监测探测器确保X射线产额稳定。然后，利用X射线在地层衰减原理，建立地层电子密度与高、低能窗计数的响应关系，从而计算精确的地层电子密度，通过地层电子密度与地层密度关系进一步计算地层密度。本发明通过采用监测探测器确保X射线产额稳定等手段，同现有方法相比获得了更为准确的计算基础，从而可以计算出准确的地层密度。另外，本发明装置还克服了对化学源的使用，更加健康、安全和环保，并有效降低了对电子加速管和探测器等的工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及石油及天然气勘探领域，具体地说是涉及一种双能X射线测量地层密度测井装置和方法。
背景技术
地层密度测井最早出现在20世纪50年代，是由斯伦贝谢科学家Henri Doll研发。早期的地层密度测井仪器使用γ放射源，通过记录由地层返回到探测器的γ射线确定地层密度。在过去的半个多世纪里，计算机硬件和电子工业经历了重大的变革，促进了测井仪器数据采集技术发展，但密度测井所用的放射源类型基本没有改变。使用γ放射源会带来安全、健康、环境等隐患问题。为了解决放射源带来的问题，斯伦贝谢科学家Peter Wraigh等人提出利用可控X射线源代替放射源。
目前，专利号(US20090274276)确定地层密度时，首先，电子加速器的电压为300KV，使X射线管向地层释放连续能量的X射线，远近探测器记录经过地层的X射线。然后，根据X射线在地层衰减原理计算地层密度。但是计算地层密度的误差比较大，由于X射线的能量比较低，经过地层时主要以光电效应和康普顿散射为主，无法找到与放射源地层密度测井一样的密度窗，其计算出地层密度的误差必定增大。
专利号(US20170168193)介绍了利用钨等原子序数较大的材料对X射线进行过滤，即过滤低能段的X射线，以此达到消除光电效应的影响，从而计算较为准确的地层密度值。但是需要更大的电子加速电压(接近400KV)，并且X射线的产额会受到影响，这对电子加速管和探测器的工艺要求极高。
专利号(CN105571986 A)介绍了一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，分别利用高能窗和低能窗计数率得到对应的两个密度值，然后利用两个密度差值与密度响应关系进行岩性校正。由于X射线能量比较低，受光电效应比较大，在不同岩性地层情况下，低能窗计数率与密度的响应关系是不一样的，这样不利于X射线密度测井在工程上的使用。
以上介绍了现有计算地层密度的方法，都存在一定的不足。基本上，目前利用可控X射线源测量地层密度，其误差较大，对仪器的工艺要求高，特别是电子加速管。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种双能X射线测量地层密度测井装置和方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种双能X射线测量地层密度测井装置，包括筒状壳体，在筒状壳体的下部设置有X射线源控制系统，在筒状壳体的上部设置有探测器接收系统；
所述X射线源控制系统包括X射线可控源、电子加速管和监测探测器，X射线可控源与电子加速管连接，电子加速管通过源准直孔与地层相连通，所述监测探测器还通过监测准直孔连接源准直孔，在监测探测器的外侧包裹钨屏蔽材料；
所述探测器接收系统包括近探测器和远探测器，近探测器位于X射线可控源和远探测器之间，近探测器通过近准直孔与地层连通，远探测器通过远准直孔与地层连通，在近探测器和远探测器之间设置有钨屏蔽材料；
在监测探测器、近探测器和远探测器上均配置有光电倍增管。
优选的，所述电子加速管的电压为250-400Kv。
优选的，所述监测探测器、近探测器和远探测器均为NaI探测器。
一种双能X射线测量地层密度测井方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：
步骤一、X射线可控源放出X射线，远探测器和近探测器采集经过地层的X射线，分别在远近X射线能谱选定高低能窗，计数率分别为Nfh、Nfl、Nnh、Nnl，其中Nfh表示为远探测高器能窗计数率、Nfl表示为远探测器低能窗计数率、Nnh表示为近探测器高能窗计数率、Nnl表示为近探测器低能窗计数率；利用MCNP数值模拟方法或刻度方法获得地层电子密度与高能窗、低能窗的计数响应公式为：
ρef＝a+bln(Nfh)+cln(Nfl)
ρen＝a1+b1ln(Nnh)+c1ln(Nnl)
式中ρef、ρen分别表示为远近探测器测量的地层电子密度；a、b、c、a1、b1、c1都是与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数；
步骤二、采用下式进行地层体积密度和地层电子密度之间的转化：
ρf＝1.0704ρef+0.1881
ρn＝1.0704ρen+0.1881
式中：ρf、ρn分别表示为远近探测器测量的地层体积密度；
步骤三、测井装置未紧贴井壁时，由于间隙填充物泥浆的影响，远近探测器测量的地层体积密度不等于真实地层体积密度，所以利用MCNP数值模拟或者实验校正的方法通过改变间隙尺寸和泥浆类型对双能X射线测量地层密度测井装置进行刻度，得到地层体积密度与远近探测器测量体积密度的函数关系：
ρb＝ρf+Δρ
Δρ＝k1(ρf-ρn)3+k2(ρf-ρn)2+k3(ρf-ρn)+k4
式中，Δρ是密度校正量；k1、k2、k3、k4是与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数；
利用上述关系式，可根据远近探测器测量的体积密度计算得出地层体积密度；
以上步骤中还包括利用监测探测器对X射线的监测步骤，并使X射线的产额稳定，其具体步骤如下：
(1)监测探测器采集经过监测准直孔的X射线，并得到X射线能谱，计算m能量段的计数率Nm，利用MCNP数值模拟方法和实验刻度获得监测探测器计数与电压的公式：
ΔNm＝αΔU+β
式中：ΔU为改变电子加速管电压的量，α、β为与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数；
(2)根据ΔNm的值，改变电子加速管的电压，以确保X射线的产额稳定；然后，再使用标定法使X射线稳定，其中标定法的步骤如下：
a双能X射线测量地层密度测井装置放置在刻度井中，获得监测探测器采集的X射线能谱，并计算高低能窗的计数，其中高能窗的计数为Nmh，低能窗的计数为Nml；
b双能X射线测量地层密度测井装置在井下每个深度点测量时，获得监测探测器和远、近探测器采集的X射线能谱，并计算高低能窗的计数，其中监测探测器高能窗的计数为Nmh0，监测探测器低能窗的计数为Nml0；远探测器高能窗计数率表示为Nfh0、远探测器低能窗计数率表示为Nfl0、近探测器高能窗计数率表示为Nnh0、近探测器低能窗计数率表示为Nnl0，具体标定法公式如下：
式中Nfh、Nfl、Nnh、Nnl是在X射线稳定时探测器测量的计数；其中，Nfh表示为远探测器高能窗计数率、Nfl表示为远探测器低能窗计数率、Nnh表示为近探测器高能窗计数率、Nnl表示为近探测器低能窗计数率。
优选的，所述远探测器与X射线可控源的距离为18-30cm，近探测器与X射线可控源的距离为8-16cm。
优选的，所述高能窗选为150-350KeV，低能窗选为50-90KeV。
优选的，所选的m能窗为100-250KeV。
本发明的有益技术效果是：
本发明提供的一种双能X射线测量地层密度测井装置和方法，与现有技术相比，首先，利用监测探测器确保X射线产额稳定；然后，利用X射线在地层衰减原理，建立地层电子密度与高、低能窗计数的响应关系，从而精确的计算地层电子密度(也就是说本方法同现有方法相比获得了更为准确的计算基础)，再通过地层电子密度与地层密度关系，进一步计算地层密度。通过这种方法，本发明可以计算准确的地层密度。另外，本发明装置还克服了对化学源的使用，更加健康、安全和环保，并有效降低了对电子加速管和探测器等的工艺要求。
附图说明
图1为双能X射线测量地层密度测井装置的结构原理示意图；
图2为双能X射线测量地层密度的方法流程示意图；
图3为本发明具体实施例中，电子加速管电压为300KV时，X射线管释放的X射线能；
图4为在本发明具体实施例中，在孔隙度10％包含水砂岩地层中，远近探测器能谱；
图5为在本发明具体实施例中，电子加速管电压和监测探测器记录m(100KeV～250KeV)能量段的X射线计数的关系；
图6为利用本发明建立的地层密度脊肋图；
图7为利用本发明在不同地层条件下测量密度与实际值对比。
图中，1为X射线可控源，2为电子加速管，3为监测探测器，4为光电倍增管，5为钨屏蔽材料，6为近探测器，7为远探测器，8源准直孔，9为监测准直孔，10为远准直孔，11为近准直孔，12为井眼，13为地层。
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作进一步说明：
如图1所示，一种双能X射线测量地层密度测井装置，该装置一般在井眼12中进行连续深度测量，井眼12内一般充满泥浆，井眼12的周围为地层13。该双能X射线测量地层密度测井装置，包括筒状壳体，在筒状壳体的下部设置有X射线源控制系统，在筒状壳体的上部设置有探测器接收系统。所述X射线源控制系统包括X射线可控源1、电子加速管2和监测探测器3，X射线可控源1与电子加速管2连接，电子加速管2通过源准直孔8与地层13相连通。所述监测探测器3还通过监测准直孔9连接源准直孔8，在监测探测器的外侧包裹钨屏蔽材料5。所述探测器接收系统包括近探测器6和远探测器7，近探测器6位于X射线可控源1和远探测器7之间，近探测器6通过近准直孔11与地层连通，远探测器7通过远准直孔10与地层连通，在近探测器和远探测器之间也设置有钨屏蔽材料。在监测探测器、近探测器和远探测器上均配置有光电倍增管4。其中在每一测量深度点上，X射线管释放出X射线，经过源准直孔8进入地层，近探测器6和远探测器7分别探测进入近准直孔11和远准直孔10的X射线；监测探测器3探测经过监测准直孔9的X射线。
下面对本发明计算地层密度的原理进行说明：
X射线进入地层后的衰减规律为：
N＝N0e-μd
式中，μ为X射线线性衰减系数，d为视源距，N为探测器的计数，N0为零源距的计数。由于X射线的能量比较低，光电效应和康普顿散射是X射线发生衰减的主要原因，则有：
μ＝μph+μc
式中，μph、μc分别为光电吸收系数、康普顿衰减系数。
石油测井常见地层的光电吸收系数可以表示为：
式中，ne电子密度，σph,e平均光电吸收截面，NA为阿伏伽德罗常数，Pe为光电吸收指数， 为等效地层原子序数，ρe为电子密度指数，定义为ρ表示地层密度。
石油测井常见地层的康普顿衰减系数为：
式中，σc，e电子散射截面，是一个常数。
则将X射线衰减关系可以写为：
经变形为：
ηU+χρe＝Ln(N)-Ln(N0)
用下标h表示高能窗，l表示低能窗，可以将公式变为：
ηhU+χhρe＝Ln(Nh)-Ln(N0h)
ηlU+χlρe＝Ln(Nl)-Ln(N0l)
将上式可变形为：
ρe＝a+bln(Nh)+cln(Nl)
式中，a、b、c为参数，均可以通过MCNP数值模拟或实验刻度的方法进行求解。
由上述的原理分析，零源距的计数直接影响计算地层密度的精度，所以需要监测探测器对X射线的产额进行监测，并改变电压，使X射线的产额保持稳定。
其中具体步骤如下：
(1)监测探测器采集经过监测准直孔的X射线，并得到X射线能谱，计算m能量段的计数率Nm。利用MCNP数值模拟和实验刻度获得监测探测计数与电压的公式：
ΔNm＝αΔU+β
式中：ΔU为改变电子加速管电压的量，α、β为与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数。
(2)根据ΔNm的值，改变电子加速管的电压，以确保X射线的产额稳定。
然后，使用标定法使X射线稳定，其中标定法的步骤如下：
a双能X射线测量地层密度测井装置放置在刻度井中，获得监测探测器采集的X射线能谱，并计算高低能窗的计数，其中高能窗的计数为Nmh，低能窗的计数为Nml。
b双能X射线测量地层密度测井装置在井下每个深度点测量时，获得监测探测器和远、近探测器采集的X射线能谱，并计算高低能窗的计数，其中监测探测器高能窗的计数为Nmh0，监测探测器低能窗的计数为Nml0；远探测器高能窗计数率表示为Nfh0、远探测器低能窗计数率表示为Nfl0、近探测器高能窗计数率表示为Nnh0、近探测器低能窗计数率表示为Nnl0，具体标定法公式如下：
式中Nfh、Nfl、Nnh、Nnl是在X射线稳定时探测器测量的计数。其中，Nfh表示为远探测器高能窗计数率、Nfl表示为远探测器低能窗计数率、Nnh表示为近探测器高能窗计数率、Nnl表示为近探测器低能窗计数率。
基于上述原理分析，依据本发明提供的双能X射线测量地层密度测井装置，计算地层密度。利用MCNP数值模拟建立测井装置模型，其中X射线管的电压为300Kv，低能窗为40～90KeV，高能窗为150～250KeV，远探测器与X射线源的间距为24cm，近探测器与X射线源的间距为14cm，以下为计算地层密度的方法步骤：
步骤一：X射线源放出X射线，远探测器和近探测器采集经过地层的X射线，分别在远近X射线能谱选定高低能窗，其计数率分别为Nfh、Nfl、Nnh、Nnl。利用MCNP数值模拟方法或刻度方法获得地层电子密度与高能窗、低能窗计数的响应公式为：
ρef＝a+bln(Nfh)+cln(Nfl)
ρen＝a1+b1ln(Nnh)+c1ln(Nnl)
式中ρef、ρen分别表示为远近探测器测量的地层电子密度；a、b、c、a1、b1、c1都是与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数。
步骤二：将步骤一计算的ρef、ρen代入地层密度和地层电子密度的转化关系：
ρf＝1.0704ρef+0.1881
ρn＝1.0704ρen+0.1881
式中：ρf、ρn分别表示为远近探测器测量的地层体积密度。
步骤三：仪器未紧贴井壁时，由于间隙填充物泥浆(泥饼)的影响，远近探测器测量的地层体积密度不等于真实地层体积密度，所以利用MCNP数值模拟或者实验校正的方法通过改变间隙尺寸(泥饼入侵厚度)和泥浆类型(泥饼类型)对双能X射线测量地层密度测井装置进行刻度，得到地层体积密度与远近探测器测量体积密度的函数关系，将步骤二计算的ρf、ρn代入：
ρb＝ρf+Δρ
其中，Δρ＝k1(ρf-ρn)3+k2(ρf-ρn)2+k3(ρf-ρn)+k4
式中，Δρ是密度校正量，k1、k2、k3、k4是与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数。
如图6是利用本发明装置和方法得到的地层密度和真实地层密度的对比图，其中地层是骨架为石英、方解石、白云石的不同孔隙度地层。所有数据点几乎都落在图6的45度线上，这表示所有的地层的密度值与其真实密度都基本相等，相关系数为0.9904，计算地层密度平均误差仅为0.009g/cm3，最大误差为0.014g/cm3，这远远小于密度测井所允许的误差范围(0.03g/cm3)。
通过以上具体实施例的分析，说明本发明用于测量地层密度具有较高的准确度。
其中，上述涉及的远近密度是指远探测器测量的密度和近探测器测量的密度；远近探测器是指远探测器和近探测器；高低能窗是指高能窗和近能窗；Pe是指光电吸收指数，是识别岩性的参数。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
当然，以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等、均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双能X射线测量地层密度测井装置，其特征在于：包括筒状壳体，在筒状壳体的下部设置有X射线源控制系统，在筒状壳体的上部设置有探测器接收系统；
所述X射线源控制系统包括X射线可控源、电子加速管和监测探测器，X射线可控源与电子加速管连接，电子加速管通过源准直孔与地层相连通，所述监测探测器还通过监测准直孔连接源准直孔，在监测探测器的外侧包裹钨屏蔽材料；
所述探测器接收系统包括近探测器和远探测器，近探测器位于X射线可控源和远探测器之间，近探测器通过近准直孔与地层连通，远探测器通过远准直孔与地层连通，在近探测器和远探测器之间设置有钨屏蔽材料；
在监测探测器、近探测器和远探测器上均配置有光电倍增管。
2.根据权利要求1所述的一种双能X射线测量地层密度测井装置，其特征在于：所述电子加速管的电压为250-400Kv。
3.根据权利要求1所述的一种双能X射线测量地层密度测井装置，其特征在于：所述监测探测器、近探测器和远探测器均为NaI探测器。
4.一种双能X射线测量地层密度测井方法，采用如权利要求1-3中任一权利要求所述的装置，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、X射线可控源放出X射线，远探测器和近探测器采集经过地层的X射线，分别在远近X射线能谱选定高低能窗，计数率分别为Nfh、Nfl、Nnh、Nnl，其中Nfh表示为远探测高器能窗计数率、Nfl表示为远探测器低能窗计数率、Nnh表示为近探测器高能窗计数率、Nnl表示为近探测器低能窗计数率；利用MCNP数值模拟方法或刻度方法获得地层电子密度与高能窗、低能窗的计数响应公式为：
ρef＝a+bln(Nfh)+cln(Nfl)
ρen＝a1+b1ln(Nnh)+c 1ln(Nnl)
式中ρef、ρen分别表示为远近探测器测量的地层电子密度；a、b、c、a1、b1、c1都是与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数；
步骤二、采用下式进行地层体积密度和地层电子密度之间的转化：
ρf＝1.0704ρef+0.1881
ρn＝1.0704ρen+0.1881
式中：ρf、ρn分别表示为远近探测器测量的地层体积密度；
步骤三、测井装置未紧贴井壁时，由于间隙填充物泥浆的影响，远近探测器测量的地层体积密度不等于真实地层体积密度，所以利用MCNP数值模拟或者实验校正的方法通过改变间隙尺寸和泥浆类型对双能X射线测量地层密度测井装置进行刻度，得到地层体积密度与远近探测器测量体积密度的函数关系：
ρb＝ρf+Δρ
Δρ＝k1(ρf-ρn)3+k2(ρf-ρn)2+k3(ρf-ρn)+k4
式中，Δρ是密度校正量；k1、k2、k3、k4是与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数；
利用上述关系式，可根据远近探测器测量的体积密度计算得出地层体积密度；
以上步骤中还包括利用监测探测器对X射线的监测步骤，并使X射线的产额稳定，其具体步骤如下：
(1)监测探测器采集经过监测准直孔的X射线，并得到X射线能谱，计算m能量段的计数率Nm，利用MCNP数值模拟方法和实验刻度获得监测探测器计数与电压的公式：
ΔNm＝αΔU+β
式中：ΔU为改变电子加速管电压的量，α、β为与双能X射线测量地层密度测井装置有关的固定参数；
(2)根据ΔNm的值，改变电子加速管的电压，以确保X射线的产额稳定；然后，再使用标定法使X射线稳定，其中标定法的步骤如下：
a双能X射线测量地层密度测井装置放置在刻度井中，获得监测探测器采集的X射线能谱，并计算高低能窗的计数，其中高能窗的计数为Nmh，低能窗的计数为Nml；
b双能X射线测量地层密度测井装置在井下每个深度点测量时，获得监测探测器和远、近探测器采集的X射线能谱，并计算高低能窗的计数，其中监测探测器高能窗的计数为Nmh0，监测探测器低能窗的计数为Nml0；远探测器高能窗计数率表示为Nfh0、远探测器低能窗计数率表示为Nfl0、近探测器高能窗计数率表示为Nnh0、近探测器低能窗计数率表示为Nnl0，具体标定法公式如下：
式中Nfh、Nfl、Nnh、Nnl是在X射线稳定时探测器测量的计数；其中，Nfh表示为远探测器高能窗计数率、Nfl表示为远探测器低能窗计数率、Nnh表示为近探测器高能窗计数率、Nnl表示为近探测器低能窗计数率。
5.根据权利要求4所述的一种双能X射线测量地层密度测井方法，其特征在于：所述远探测器与X射线可控源的距离为18-30cm，近探测器与X射线可控源的距离为8-16cm。
6.根据权利要求4所述的一种双能X射线测量地层密度测井方法，其特征在于：所述高能窗选为150-350KeV，低能窗选为50-90KeV。
7.根据权利要求4所述的一种双能X射线测量地层密度测井方法，其特征在于：所选的m能窗为100-250KeV。
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