CN110454147A - 一种可控源一体化核测井仪及测井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提供一种可控源一体化核测井仪及测井方法，包括自一端至另一端的依次设置的中子发生器、并排设置的近热中子探测器与超热中子探测器、近伽马探测器和并排设置的远伽马探测器与远热中子探测器；热中子探测器和超热中子探测器与中子发生器的距离均为30cm±3cm，近伽马探测器与中子发生器的距离为45cm±3cm，远伽马探测器和远热中子探测器与中子发生器的距离均为75cm±3cm。能够同时计算出地层中各元素的产额、地层孔隙度和地层密度值，避免了多次下井测量，极大的提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明属于测井技术领域，涉及一种可控源一体化核测井仪及测井方法。
背景技术
石油勘探测井包含电法测井、声波测井、核测井和核磁测井等技术和仪器设备，核测井主要包含自然伽马、密度、中子孔隙度和地层元素等测井技术和仪器设备，传统的密度测井采用铯-137源，中子测井和地层元素测井采用镅铍中子源，化学源的使用、运输和储层对安全环保是一个很大的挑战，而且，密度、中子和地层元素等测井都是单独的仪器，需要分别下井测量，或者组合测井，测井作业效率低。近几年，也有采用可控中子源进行中子孔隙度和地层元素测井的，但都是单独的仪器设备，若多个探测器直接叠加，需解决探测器互相影响的问题，保证探测精度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可控源一体化核测井仪及测井方法，能够同时测量得到用于计算地层孔隙度、地层元素含量和地层密度所需的各项数据。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种可控源一体化核测井仪，包括自一端至另一端的依次设置的中子发生器、并排设置的近热中子探测器与超热中子探测器、近伽马探测器和并排设置的远伽马探测器与远热中子探测器；
热中子探测器和超热中子探测器与中子发生器的距离均为30cm±3cm，近伽马探测器与中子发生器的距离为45cm±3cm，远伽马探测器和远热中子探测器与中子发生器的距离均为75cm±3cm。
优选的，中子发生器与并排设置的热中子探测器和超热中子探测器之间通过屏蔽体隔开，屏蔽体采用钨镍合金制成。
优选的，在近伽马探测器的外部上包裹有由硼制成的外壳，外壳长度不小于近伽马探测器长度。
优选的，近热中子探测器和远热中子探测器均采用He-3管计数器。
优选的，超热中子探测器是将一层金属镉制成的镉片包裹在He-3管计数器外侧。
优选的，远热中子探测器选用3-4个He-3管并排设置。
优选的，近伽马探测器和远伽马探测器均采用溴化镧晶体探测器。
优选的，中子发生器用于发射14MeV快中子。
一种基于上述任意一项所述仪器的测井方法，包括以下步骤；
步骤一，将仪器放置在探测井中；
步骤二，中子发生器采用脉冲发射方式，向四周均匀发射快中子；
步骤三，中子在地层中首先发生非弹性散射和弹性散射而损失大部分能量变成热中子，非弹性散射过程中会放出非弹伽马射线，热中子最后被地层元素俘获会放出俘获伽马射线；
步骤四，近伽马探测器采集俘获伽马射线，能够计算得到地层中各元素的产额；
热中子由近热中子探测器与远热中子探测器采集，根据探测到的热中子计数信息，能够计算出地层孔隙度；
俘获伽马射线由近伽马探测器和远伽马探测器采集，根据近远伽马计数比和近远热中子计数比，能够计算出地层密度的大小。
优选的，步骤一中，将仪器设置在探测井中，仪器与探测井偏心设置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了可控源一体化核测井仪，通过对不同探测器的不同位置排布，以及探测器与中子发射器距离的控制，能够同时测量得到用于计算地层孔隙度、地层元素含量和地层密度所需的各项数据，并保证测量精度。可控源一体化核测井仪测量信息量大，可以用来全面了解地层物性，有利于复杂地层油气勘探，而且，可以取代所有使用化学源的传统核测井仪器，安全环保。
进一步，通过在中子发生器与热中子探测器和超热中子探测器之间设置屏蔽体，能够阻挡和吸收仪器内部的中子，最大限度减小仪器本身材料对测量结果干扰。
进一步，由硼制成的外壳中，含有硼10，可以吸收掉探测器周围的热中子，消除热中子与仪器本身材料反应所产生的干扰。
进一步，远热中子探测器不选用大体积He-3管，而选用多个He-3管，既保证了计数率又保证了与中子源的距离。
本发明还提供了一种测井方法，通过使用中子发生器发出中子，近伽马探测器和远伽马探测器采集俘获伽马射线，得到近远伽马计数，近热中子探测器与远热中子探测器采集热中子，得到近远热中子计数，这些数据能够同时得到，通过这些数据，能够同时计算出地层中各元素的产额、地层孔隙度和地层密度值，避免了多次下井测量，极大的提高了测量效率。
进一步，仪器在探测井中偏心测量，保证测量信息更多来自于地层而不是井眼，以增大计数率，提高测量精度，并降低井眼影响。
附图说明
图1为本发明的仪器结构示意图；
图2为本发明的中子在地层中输运和反应过程图；
图3为本发明的仪器俘获谱图；
图4为本发明的孔隙度与近远热中子比值的关系图；
图5为本发明的预计地层密度值与模拟地层密度值之间的关系图。
其中：1-中子发生器；2-屏蔽体；3-近热中子探测器；4-超热中子探测器；5-近伽马探测器；6-远伽马探测器；7-远热中子探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，可控源一体化核测井仪，包含自一端至另一端依次设置的中子发生器1、屏蔽体2、并排设置的近热中子探测器3和超热中子探测器4、近伽马探测器5和并排设置的远伽马探测器6与远热中子探测器7。
并排设置的近热中子探测器3与超热中子探测器4，以中子发生器1为中心对称设置，并排设置的远伽马探测器6与远热中子探测器7，以中子发生器1为中心偏心设置。
中子发生器1用于发射14MeV快中子与地层核素发生反应，一面源，向四周均匀发射，采用脉冲发射方式，发射周期为100μs，每个周期内发射时间设置在0-40μs，在每个周期内，0-40μs测量非弹性散射伽马。
脉冲中子利用的是D-T的聚变反应放出14MeV的中子，其反应式如下式所示。
中子源产生的中子在地层中首先发生非弹性散射和弹性散射而损失大部分能量变成热中子，非弹性散射过程中会放出非弹伽马射线，热中子最后被地层元素俘获会放出俘获伽马射线。仪器合理装配必要的探测器后，就能一次性获得多种地层信息。
屏蔽体2采用钨镍合金，为圆柱体结构，长度不小于12cm，用于将中子发生器1与热中子探测器和超热中子探测器4之间阻隔，能够阻挡和吸收仪器内部的中子，最大限度减小仪器本身材料对测量结果干扰。
近热中子探测器3和远热中子探测器7都采用He-3管计数器，近热中子探测器3He-3管大小为φ25mm×130mm，远热中子探测器7为3-4个同样尺寸的He-3管并联，以保证足够的计数率。通过对近远热中子计数的分析，随着中子孔隙度的增大，近热中子探测器3和远热中子探测器7的计数比是不断增大的，增长速度都是不断减小的，通过数据处理得到地层孔隙度信息。
超热中子探测器4是将一层1mm左右的金属镉制成的镉片，包裹在He-3管计数器外侧，He-3管大小也为φ25mm×130mm，可用来测量超热中子。
近伽马探测器5和远伽马探测器6都采用溴化镧晶体探测器或其它类型伽马能谱探测器，晶体尺寸为φ50mm×100mm，溴化镧晶体内掺铈作为激活剂，具有更高的能量分辨率和光产额，用以测量中子与地层元素反应的非弹伽马和俘获伽马的能谱，溴化镧伽马探测器还有一个最重要的优点就是能适应更宽的温度范围，特别适合井下环境的高温环境。
通过近伽马探测器5、远伽马探测器6超热中子探测器4、近热中子探测器3和远热中子探测器7测得的非弹伽马，俘获伽马，近远热中子计数以及近超热中子计数等信息，经过数据处理，可以得到地层密度。
仪器外壳和骨架材料均选择铁和铝含量低的合金材料，例如：钛合金和镍钴类合金，以减少仪器材料对地层铁和铝元素含量测量的影响。仪器外壳的厚度要满足耐压指标的要求。
仪器在探测井中贴井壁偏心测量，保证测量信息更多来自于地层而不是井眼，以增大计数率，提高测量精度，并降低井眼影响。
各探测器与中子发生器1的距离如表1所示。
表1 各探测器与中子发生器的距离
| 探测器 | 源距 |
| 近热中子探测器和超热中子探测器 | 30cm±3cm |
| 近伽马探测器 | 45cm±3cm |
| 远热中子探测器 | 75cm±3cm |
| 远伽马探测器 | 75cm±3cm |
如图2所示，可控源采用中子发生器1，这是目前唯一能够应用于井下高温测量的可控放射源，而且，采用中子源，测量快中子进入地层后产生的非弹性伽马射线能谱、俘获伽马能谱、热中子计数和超热中子计数，能够计算出地层孔隙度、地层元素含量和地层密度，计算结果的精度也能够得到保证。其次，使用近远2组热中子计数测量地层孔隙度，近热中子探测深度小，主要反映井眼状况，远热中子探测器7深度大，主要反映地层特性，可以得到补偿井眼影响的准确的地层孔隙度；使用1个高性能伽马探测器测量非弹性伽马射线能谱、俘获伽马能谱，并计算地层元素含量，中子源采用脉冲方式工作，利用时间截断，能够区分非弹性伽马射线能谱和俘获伽马；传统密度测井方法是利用伽马源，通过伽马射线与地层发生的康普顿散射测量地层密度，本发明采用全新的方法，利用中子与地层核素发生反应产生的非弹性散射伽马射线，该伽马射线也会与地层发生康普顿散射，反映地层密度信息，难点在于很多地层参数会影响中子反应产生的非弹性散射伽马射线的强度和分布，例如地层孔隙度、矿化度、骨架岩性、井眼大小、泥浆密度和成分等，需要测量更多的参数以消除或减低这些因素的影响，本发明采用近远非弹性伽马射线计数比为主项计算地层密度，以获取较好的响应特性，并消除井眼影响，同时将热中子计数与超热中子计数比作为修正项，以消除其它地层因素的影响，因此，密度测量需要1个热中子探测器、1个超热中子探测器4和2个伽马探测器。
首先，确定近伽马探测器5的位置和尺寸，近伽马探测器5是测量伽马能谱计算元素含量的主探测器，根据探测灵敏度和探测器深度要求，确定其源距为45cm±3cm，根据统计误差和仪器外径的要求，确定其大小为φ50mm×100mm，近伽马探测器5测量的非弹性伽马计数也用于密度计算，这是受限空间采取的探测器复用技术；其次，根据中子孔隙度测量需要近远热中子计数进行补偿的要求，以及其源距分别为30cm±3cm和75cm±3cm的要求，确定将近远热中子探测器7分置于近伽马探测器5的上下两侧，之后，根据统计误差对计数率的要求，确定近热中子探测器3采用φ25mm×130mm的He-3管计数器，而远热中子探测器7的体积应是近热中子探测器3的3-4倍，同样也将近热中子复用于密度计算；再次，根据密度测量灵敏度的要求，远伽马探测器6的源距应为75cm±3cm，由于它与远热中子探测器7处于相同的源距，位置上有冲突，所以远热中子探测器7不选用大体积He-3管，而选用3-4个φ25mm×130mm的He-3管，放置在远伽马探测器6周围并联测量，即保证了计数率又保证了源距；最后，超热中子探测器4的源距也为30cm±3cm，因此将它与近热中子探测器3并排放置。
中子由中子发生器1发出，与地层元素发生碰撞，发生非弹性散射，并发射出伽马射线，中子能量降低到非弹性散射的阈值以下后，发生多次弹性散射最后变成热中子被地层元素俘获，并释放伽马射线。仪器中的近伽马探测器5接收这些伽马能谱信息。通过对伽马能谱解谱分析，利用最小二乘法进行解谱，得到地层元素信息。公式如下：
若实际测量中采用n道记录伽马能谱，第i道计数表示为ci
式中，表示地层测量能谱的第i道的计数为地层中所有元素在第i道内产生的伽马射线，即标准伽马能谱的线性叠加。其中aij是仪器探测器第i道计数对第j种元素产额的响应，由元素的标准能谱得到的n×m的矩阵；yj表示第j种元素产额；aij与yj的乘积为第j种元素对探测器伽马能谱第i道计数的贡献；εi表示误差。采用最小二乘法来解方程式。令方程组的加权剩余偏差平方和为R，则
仅当时，R取最小值，推导可以得到
y＝[AT×W×A]-1[AT×W×C]
式中：y为元素解析产额；A为仪器响应矩阵，由元素标准谱组成；W为加权对角矩阵，可由仪器测量伽马能谱计算得到，Wii＝1/ci；c为仪器测量伽马能谱。
解析矩阵方程式则可以得到地层中各元素的产额。
下面将结合具体实施方式，对这种可控源一体化核测井仪的具体内容进行描述。
一、根据上述可控源一体化核测井仪，建立仪器模型，数值模拟测得地层俘获谱如图3所示，利用最小二乘法解谱分析，得到的灰岩地层元素的含量。最小二乘法的公式为：
y＝[AT×W×A]-1[AT×W×C]
表2 采用最小二乘法解得的地层元素误差
| 元素 | Al | Ca | Cl | Cu | Fe | Gd | K |
| 理论值 | 0.0424％ | 0.0136％ | 0.0000％ | 0.0000％ | 0.1934％ | 0.0000％ | 0.0088％ |
| 实际值 | 0.0000％ | 0.0000％ | 0.0000％ | 0.0000％ | 0.1523％ | 0.0000％ | 0.0000％ |
| 误差 | -0.0424％ | -0.0136％ | 0.0000％ | 0.0000％ | -0.0411％ | 0.0000％ | -0.0088％ |
| 元素 | Mg | Mn | Na | Ni | S | Si | Ti |
| 理论值 | 0.0060％ | 0.0083％ | 0.0222％ | 0.0000％ | 0.0000％ | 46.8825％ | 0.0060％ |
| 实际值 | 0.0000％ | 0.0000％ | 0.1887％ | 0.0000％ | 0.0000％ | 46.4731％ | 0.0652％ |
| 误差 | -0.0060％ | -0.0083％ | 0.1665％ | 0.0000％ | 0.0000％ | -0.4094％ | 0.0592％ |
从表2可以看出，可控源一体化核测井仪所测得能谱效果较好，所有标志峰位都可以清晰的辨认出来，并且仪器本身带来的干扰很少，比如7.6MeV处Fe的峰就很难在能谱中观测到，说明仪器本身铁元素的影响被有效消除。从解得的元素含量误差可以看出，可控源一体化核测井仪的能够满足地层元素含量测量精度要求。
二、中子由中子发生器1发出，到达地层中的孔隙处，地层孔隙中都含有水，14MeV快中子慢化为热中子，被仪器中的近热中子探测器3与远热中子探测器7探测，根据探测到的热中子计数信息，可以计算出地层孔隙度。
模拟测得近热中子与远热中子的比值与孔隙度的关系，如图4所示，图中可以看出在三种不同的岩性下，孔隙度的值与近热中子与远热中子的比值之间为单调线性关系，可以由此计算地层孔隙度。
三、中子由中子发生器1发出，与地层发生碰撞，发生非弹性散射以及俘获，释放伽马射线，由仪器中的近远两个溴化镧伽马探测器探测，根据近远伽马计数比，以及近远热中子计数比，根据经验公式可以计算出地层密度的大小。
测量得到超热中子计数、热中子计数、近源距非弹性散射伽马计数和远源距非弹性散射伽马计数，在通过公式计算得到地层密度，公式为：
其中Rine为近源距非弹性散射伽马计数和远源距非弹性散射伽马计数的比值；Nepi为超热中子计数，Nth为热中子计数；ρ为所求地层的密度；a、b和c为刻度系数。刻度系数为每个仪器固定的系数，可在仪器出厂前进行确定。
取灰岩、白云岩和砂岩三种岩性的地层模型，以每种岩石的骨架含量为基础，添加不同比重的水，构造不同岩性下的各种孔隙度地层，得出不同岩性下各孔隙度对应的模拟地层密度值。使用蒙特卡洛数值模拟软件进行模拟计算，通过模拟出的脉冲中子测井仪器得到每种地层情况的测量数据。将每种地层情况的测量数据带入至公式中，得到预计地层密度值。
将预计地层密度值与模拟地层密度值进行比对，预计地层密度值与模拟地层密度值的关系如图5所示，图中虚线为真实密度与测得密度相等的参考线，由图中可以看出在灰岩、白云岩及砂岩三种岩性中，测得数据计算所得的密度与实际密度误差较小，基本分布在参考线附近。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，包括自一端至另一端的依次设置的中子发生器(1)、并排设置的近热中子探测器(3)与超热中子探测器(4)、近伽马探测器(5)和并排设置的远伽马探测器(6)与远热中子探测器(7)；
热中子探测器和超热中子探测器(4)与中子发生器(1)的距离均为30cm±3cm，近伽马探测器(5)与中子发生器(1)的距离为45cm±3cm，远伽马探测器(6)和远热中子探测器(7)与中子发生器(1)的距离均为75cm±3cm。
2.根据权利要求1所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，中子发生器(1)与并排设置的热中子探测器和超热中子探测器(4)之间通过屏蔽体(2)隔开，屏蔽体(2)采用钨镍合金制成。
3.根据权利要求1所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，在近伽马探测器(5)的外部上包裹有由硼制成的外壳，外壳长度不小于近伽马探测器(5)长度。
4.根据权利要求1所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，近热中子探测器(3)和远热中子探测器(7)均采用He-3管计数器。
5.根据权利要求1所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，超热中子探测器(4)是将一层金属镉制成的镉片包裹在He-3管计数器外侧。
6.根据权利要求5所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，远热中子探测器(7)选用3-4个He-3管并排设置。
7.根据权利要求1所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，近伽马探测器(5)和远伽马探测器(6)均采用溴化镧晶体探测器。
8.根据权利要求1所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，中子发生器(1)用于发射14MeV快中子。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述仪器的测井方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，将仪器放置在探测井中；
步骤二，中子发生器(1)采用脉冲发射方式，向四周均匀发射快中子；
步骤三，中子在地层中首先发生非弹性散射和弹性散射而损失大部分能量变成热中子，非弹性散射过程中会放出非弹伽马射线，热中子最后被地层元素俘获会放出俘获伽马射线；
步骤四，近伽马探测器(5)采集俘获伽马射线，能够计算得到地层中各元素的产额；
热中子由近热中子探测器(3)与远热中子探测器(7)采集，根据探测到的热中子计数信息，能够计算出地层孔隙度；
俘获伽马射线由近伽马探测器(5)和远伽马探测器(6)采集，根据近远伽马计数比和近远热中子计数比，能够计算出地层密度的大小。
10.根据权利要求9所述的一种可控源一体化核测井仪，其特征在于，步骤一中，将仪器设置在探测井中，仪器与探测井偏心设置。
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