CN1098763A - 碳/氧化能谱测井系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高准确度的碳/氧比(C/O)能
谱测井系统，该系统是将氘氚反应快中子伴随α粒子
飞行时间技术用于碳/氧比能谱测井，包括具有伴随
α粒子探测系统的中子管，中子屏蔽体，γ射线探测
器，快电子学定时部件以及数据获取、处理和控制计
算机。利用本发明测井可以避开探测器周围非矿层
物质的影响，压低各类本底，以很高的准确度确定所
测地层含油、含水以及其它信息。
Description
本发明涉及碳/氧比（C/O）能谱测井领域。
碳/氧（C/O）比能谱测井是在低矿化度、高孔隙度（＞20%）地层的套管井中用来探测油层、水层、油水含量及岩性的一种重要方法。它的基本原理之一是：用14MeV的快中子轰击矿层，矿层中的C和O分别放出4.43和6.13MeV的非弹特征γ射线;测量γ射线的能谱和强度可以得到矿层中C含量与O含量的比值。油中多C，水中多O，由C/O比值以及其它测量数据可以确定油井周围矿层的含油情况。
但是，利用现有测井装置所测得的C/O比值具有很大的不确定性。这是因为（参看附图1）在测井装置中，紧贴闪烁探头的最灵敏区，有约6cm厚的水、铁、水泥等非矿层物质，其中含有大量C、O、Si、Ca。水泥套管外的矿层实测厚度大约20cm。近似计算表明，在总的特征γ计数中，水泥套管等非矿层物质的贡献占一半左右，它们的作用相当于本底，必将给C/O比值带来很大的不确定性。
利用特征非弹γ射线确定C/O比时，俘获γ射线形成本底。利用“双门法”或“三门法”扣除本底也不可避免地引入误差。此外，很强的Compton效应也是产生C/O比值不确定性的重要因素。
总之，在现有的测井装置中，上述本底在测量上是不可避免的;虽用多种措施减少这种影响，引入较大的不确定性也是不可避免的，并且带来很大的复杂性。针对上述技术的不足，本发明提出一种伴随α粒子快中子飞行时间碳/氧比能谱测井系统，可以大大压低本底，显著提高所测C/O比值的准确性。
本发明所依据的基本原理是：
1.在3He（d，n）4He〔或者写为T（d，n）α〕反应中，出射中子和反冲α粒子受反应动力学的制约，它们在出射角度上是一一对应的。
2.相关联的中子或者它们感生的直接非弹特征γ射线和α粒子的探测信号，在时间上是相关的，它们之间的时间差随着几何位置不同而变化。
具体说明如下，参看图1。
1.定域测量有效矿层区域。
在图1中，氚靶4的右方是α探测器3。与α相关联的中子束5在射线TA和TB以及射线TA′和TB′之间。适当调节装置的几何位置，可使紧靠闪烁探头（BaF2晶体）9的非矿层物质绝大部分处在关联中子束之外。射到非矿层物质上的非关联中子产生的γ射线虽然也能在闪烁探头中引发信号，但是无相应的α信号产生符合记数。这样就把处在内层的水泥、水等非矿层物质产生的γ信号剔除掉了。这个作用可称之为伴随粒子飞行时间法的“定域功能”。
2.去除非矿层区域的影响
现在假定一个中子n从氚靶4发出射到矿层物质的中心点P上，从该点产生的直接非弹γ射线射入闪烁探测器9中，并产生信号，这个过程共需时间tn。与n相对应的α被探测器3探测到，并产生信号，需要时间tα。在固定信号传输装置中，两个信号之间的时间差tn-tα将为一个统计确定值tp。可以设想，在关联中子束内，中子产生直接非弹γ的作用点不同，则时间差就不一样。中子的飞行速度要比γ射线慢得多，因此大致说来，作用点愈靠近氚靶4，时间差愈小;作用点离氚靶4越大则时间差愈大。利用飞行时间装置可以测得一个以tp为中心的飞行时间差谱。在P点周围10cm左右的区域内，产生的时间差在tp±4ns范围内。选定这个时间差范围内的信号作为有效信号，则弧线RR′右边的非矿层物质产生的γ射线不产生实际计数。这样就把铜、钨屏蔽体6、7周围的水泥等非矿层物质产生的γ信号“屏蔽”掉了，称之为伴随粒子飞行时间法的“定时功能”。
3.去除直穿中子干扰、提高测量效率
0度左右的出射中子，虽然经过屏蔽体阻挡，仍有部分中子直接射入闪烁体，但是相应的反冲α在180°左右出射，不被α探测器3接收。经验表明伴随粒子飞行时间法的“定域效应”可降低直穿中子产生的本底一个量级左右。这个作用又使用于屏蔽闪烁探头BaF2晶体9的铜钨屏蔽体7，8有可能被缩短，从而提高射入矿层的中子通量，显著提高探测效率。
4.飞行时间法压低俘获γ射线本底
在现有的脉冲中子法测量装置中，计数门或本底门的时间宽度在10-20μs的范围内。俘获γ随时间按指数规律衰减，采用相减法不可避免地引入误差。在本发明中，计数是在10ns量级的时间门内进行的，慢中子及其俘获γ的产生是μs量级的事件，因此从整体上来看，不能与α信号产生必然符合计数，只能形成偶然符合记数。
5.BaF2晶体9的信号有快慢两成分。快成分的存在使利用快中子飞行时间法得以实现。BaF2晶体9的热中子俘获载面比NaI小一个量级左右，有利于压低热中子俘获γ射线本底。专门设计的铜，钨屏蔽体6，7有利于提高矿层区中子通量强度和减少直穿本底。
综上所述，采用伴随α粒子快中子飞行时间技术，可以选择有效矿层区域进行测量，大大压低各类本底，加上其它改进措施，从而显著提高所测C/O比值的精确性。
本发明-碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，该系统由带有伴随α粒子信号获取装置的氘氚反应中子管，快电子学定时部件，中子屏蔽体，γ探测器，以及与上述装置相连接的数据获取、处理和控制计算机。上述氘氚反应中子管与伴随α信号获取装置构成一体;上述的α粒子信号获取装置可由多个α粒子探测器环绕氘氚反应中的入射离子束而构成，其中每个α粒子探测器由无机闪烁体，光导和快光电倍增管构成;上述的快电子学定时部件，可由快恒比定时器，时幅变换器，单道分析器组合而成;所说的中子屏蔽体可由铜、钨和铅分层组合而成，前部为园锥体，中间为园柱体，后部为园台形;上述的γ探测器可由测量γ射线能量的无机闪烁体与快光电倍增管构成。
利用本发明的系统，测量井下直接非弹γ射线能谱时，碳/氧比的信号本底比要比现有的类似装置高出5-10倍，所测饱和油砂和饱和水砂的碳/氧比值略高于0，3，相对变化大于18%，因此在确定矿层含油、含水信息时，具有相当高的准确度。
附图及附图的简要说明
图1为碳/氧比能谱测井装置示意图
1.中子管高压电源
2.带伴随α粒子信号获取装置的中子管
3.环形伴随α粒子探测装置
4.氘氚反应靶头
5.关联中子束流
6.铜屏蔽体
7.钨屏蔽体
8.铅屏蔽体
9.BaF2晶体
10.快光电倍增管
11.快电子学定时部件
12.线性电子学系统
13.电缆
14.数据获取、处理和控制计算机
15.探测装置钢质密封外壳
16.钢质井管
17.水泥套管
18.水泥套管周围的矿层
19.处在关联中子束内的小部分水泥壳
20.矿井中的水
21.时幅变换器
22.单道分析器
23.线性门电路
下面结合附图1介绍一个实施例
中子管高压电源1为带伴随α粒子信号获取装置的中子管2供电，加速电压为120KV，环形伴随α粒子探测装置3由多个α粒子探测器环绕中子管内入射离子束构成，利用ZnS闪烁体探测α粒子，快光电倍增管输出上升时间为ns量级的快信号，送入快电子学定时部件11，氘氚反应靶头4利用3He（d，n）4He反应产生14Mev中子，对于给定的伴随α粒子探测装置产生一定范围的关联中子束流5，该中子束流5射向γ探测器周围的矿层18，与矿层中的多类元素相互作用，产生相关联的直接非弹γ射线。铜屏蔽体6呈园锥形，钨屏蔽体7呈园柱形，铅屏蔽体8呈园台形。三者的组合可以有效地屏蔽入射到γ探测器上的直穿中子和相关的γ射线。
γ探测器由BaF2晶体9和快光电倍增管10构成，快光电倍增管输出能量线性信号和快信号，线性信号通过线性电子学系统12和电缆13送入数据获取、处理和控制计算机14，快信号送入快电子学定时部件11。所说的快电子学定时部件11由快恒比定时器，时幅变换器，单道分析器构成。来自BaF2的γ信号作为开门信号，来自α探测器的α信号为关门信号。中子和感生γ射线的飞行时间谱呈高斯型分布，总宽度约为12ns，利用单道分析器选取特定飞行时间范围内的信号作为线性电子学系统12中的γ射线门电路的开门信号，由此测量得到的γ能谱具有很高的信号本底比。线性电子学系统12中包括线性放大器、线性门电路，低压电源，光电倍增管用高压电源。
整个探测装置封入一个密闭的钢质密封外壳15内，进行测量时，将其放入矿井中，通过多蕊电缆13与处在地面上的数据获取、处理和控制计算机14相连接。
测量过程与结果分析。
目前测量是在两种井中进行的，一个是油砂井，一个是水砂井。
将测量装置放入井以前，首先利用Am-Be中子源进行能量刻度，选取碳窗为3.17-4.65Mev，氧窗为4.86-6.34Mev，测量装置到位后首先开启电子学系统，然后慢慢启动中子管，选定飞行时间门宽为8ns，同时记录伴随α粒子的总计数及γ能谱，且保持碳窗和氧窗下总计数的统计误差小于1%。一组典型的测量数据如下：
Na(108) Nc No C/O △(C/O) Re
油砂井 11.008 84290 45712 1.844 0.313 18.5%
水砂井 11.003 86273 56333 1.531
上表中Na表示伴随α粒子总计数;Nc和No分别表示C窗和O窗下γ的总计数;C/O表示碳氧比，△（C/O）表示油砂井与水砂井的C/O比之差，Re表示两种井C/O比差值与平均值的百分比，此结果相当真实地反应了这两种井的C/O比值。对不同的岩性，孔隙度，含油度予先做好定标曲线，则上述装置测得的C/O比分辨能力高，从而以较高的置信度确定井下矿层的含油，含水信息。
Claims (6)
1、一种碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，该系统包括具有伴随α粒子信号获取装置的中子管，测量此中子管产生的中子所诱发的直接非弹γ射线的γ探测器，处在中子管与γ探测器之间的中子屏蔽体，与伴随α粒子信号探测装置和γ探测器相匹配的快电子学定时部件，以及与上述装置相连接的数据获取、处理和控制计算机；
2、根据权利要求1所记载的碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，所说的中子管与伴随α粒子信号获取装置是构成一体的;
3、根据权利要求1或2记载的碳/氧比能谱测井系统其特征在于，所说的伴随α粒子信号获取装置是由多个α粒子探测器，环绕氘氚反应中的入射离子束构成，每个α粒子探测器由无机闪烁体和光电倍增管构成;
4、根据权利要求1，2所记载的碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，所说的γ探测器由BaF2晶体和快光电倍增管构成;
5、根据权利要求1，2所记载的碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，所说的中子屏蔽体由铜、钨、铅分层组合构成;
6、根据权利要求1，2记载的碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，所说的快电子学部件由快恒比定时器，时幅变换器和单道分析器构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |