CN110469324A - 一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，包括以下步骤；步骤一，通过脉冲中子测井的方法，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；步骤二，根据步骤一中的数据，计算地层密度；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。提高了基于脉冲中子测井，计算地层密度结果的精度。
Description
技术领域
本发明属于测井技术领域，涉及一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法。
背景技术
密度测井是测井中非常重要的一个部分，其测量值与其它测井资料相结合能够得到地层孔隙度、岩性等信息。传统的密度测井是以Cs-137作为伽马源，仪器通常采用双源距设计，即设置近远两个探测器来记录伽马射线在地层中的康普顿散射，从而得到地层信息。
随着脉冲中子测井的发展，各大石油测井公司都在研究对应的密度测井方法。但与传统的伽马-伽马测井不同，脉冲中子测井利用的是次生伽马源，次生伽马在一定空间范围内分布，其强度和空间分布状况受到地层岩性、矿化度、孔隙度和含氢指数影响等因素的影响，其能量在一定范围内连续变化，造成密度计算存在较大困难。
早期的中子-伽马测井，只用了一个伽马探测器来探测非弹伽马计数作为唯一的一个参数来计算密度，这种方法的受到井眼、泥浆、岩性等环境因素的影响较大，计算准确度不高。
目前脉冲中子测井仪器都采用的是双源距的设计，即设置近、远两个不同源距的伽马探测器，以这两个探测器的计数比来消除环境的影响。通用的密度计算方法是利用近远两个伽马探测器的非弹性散射伽马计数比来得到地层的慢化长度，以此反推得到地层密度。
但是该方法是基于传统伽马-伽马测井，认为伽马源是一个点源，没有考虑到中子在地层中的慢化与扩散过程。为此，脉冲中子测井仪器又加入了中子探测器来测量热中子或超热中子，把这项计数加入到计算公式中来修正伽马源的分布带来的影响，又在在密度公式中又加入了俘获伽马项来修正含氢指数的影响，形成了现在通用的密度计算公式。
现在通用的密度计算公式存在以下不足：
1)在密度公式中引入俘获伽马项并不是一个很好的选择，虽然可以消除含氢指数的影响，但是俘获伽马计数受到地层性质的影响较大，一旦地层岩性改变，则计数会产生较大的波动。在三种岩性砂岩、灰岩和白云岩的不同地层密度下，三者的俘获伽马计数区别很明显。所以引入俘获伽马计数对计算精度有一定的负面影响。
2)脉冲中子源的产额难以保持恒定，如果在算法中直接引入中子计数的话，这种波动会对中子的计数产生较大影响，进而会影响到密度的计算。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，提高了基于脉冲中子测井，计算地层密度结果的精度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，包括以下步骤；
步骤一，通过脉冲中子测井的方法，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；
步骤二，根据步骤一中的数据，计算地层密度；
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。
优选的，刻度系数a、b和c的计算包括以下步骤；
步骤一，使用数值模拟的方法，选取多种岩性的地层模型，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；
步骤二，使用步骤一中数值模拟的方法，通过脉冲中子测井的方法，得到步骤一中每种地层情况的测量数据，每种地层情况的测量数据包括超热中子计数、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；
步骤三，通过步骤一中的模拟地层密度值和步骤二中的测量数据，带入公式中；
得到刻度系数a、b和c的值。
进一步，在步骤二的数值模拟中，以时间截断的方式分别先后获得非弹伽马和俘获伽马计数；超热中子计数和热中子计数均采取记录中子通量的形式，并且结果与He-3气体截面进行卷积，最后以中子在He-3管计数器中的发生反应数作为中子计数输出。
进一步，采用蒙特卡洛数值模拟软件进行数值模拟计算。
优选的，通过脉冲中子测井仪器进行步骤一中数据的探测，脉冲中子测井仪器包含由下而上依次设置的中子源、并排设置的热中子探测器和超热中子探测器、近伽马探测器和远伽马探测器；
近源距非弹性散射伽马计数通过近伽马探测器测得，远源距非弹性散射伽马计数通过远伽马探测器测得，热中子计数通过热中子探测器测得，超热中子计数通过超热中子探测器测得。
进一步，热中子探测器和超热中子探测器与中子源的距离为30cm±3cm，近伽马探测器与中子源的距离为45cm±3cm，远伽马探测器与中子源的距离为75cm±3cm。
进一步，中子源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。
进一步，近伽马探测器和远伽马探测器均采用溴化镧晶体探测器。
进一步，热中子计数采用He-3管计数器。
进一步，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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过脉冲中子测井能够测得的四组数据，和地层密度的计算公式，对地层密度进行计算，该公式利用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作为主变量，基本消除井眼和泥浆等的环境影响；利用热中子计数与超热中子计数的比值作为修正项，降低地层含氢指数的影响；采用计数率比值而不是绝对计数率，消除了可控中子源产额不稳定带来的误差；密度计算公式对密度的拟合程度高，准确性能够达到实测井的需要，绝对误差控制在合理范围内；密度计算公式形式简单，公式的每项都以基本初等函数为主，并且所用待定系数较少，所以方便确定最后的系数；选择的参数都和密度相关性好，且对岩性的区别不显著，并且考虑到了实际中井眼影响、发射脉冲波动等干扰因素，所以最后的结果更精确。
进一步，通过脉冲中子测井仪器，实现了对各项数据进行直接测量。
进一步，中子源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，阻挡和吸收仪器内部的中子，最大限度减小仪器本身材料的对测量结果干扰。
附图说明
图1为本发明的脉冲中子测井仪器的结构示意图；
图2为本发明的快中子在地层的输运过程示意图；
图3为本发明的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放的比值与密度之间的响应关系图；
图4为本发明的超热中子与热中子计数比值与密度之间的响应关系图；
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；
图6为本发明的预计地层密度值与模拟地层密度值的绝对误差图。
其中：1-中子发生器；2-屏蔽体；3-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-探测井；8-地层。
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，本发明所述的基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，基于脉冲中子测井仪器得到的数据进行计算，本实施例以图1所描述的一种可控中子源测井仪器为例进行详细说明。
图1所示的脉冲中子测井仪器，包含由下而上依次设置的中子源、屏蔽体2、并排设置的热中子探测器3和超热中子探测器4、近伽马探测器5和远伽马探测器6。本实施例中，屏蔽体2为圆柱体钨镍合金，长度不小于12cm，热中子探测器3都采用He-3管计数器，超热中子探测器4是将一层1mm左右的金属铬制成的镉片，包裹在He-3管计数器外侧，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，各探测器源距如表1所示。
表1各探测器与中子源的距离
| 探测器 | 源距 |
| 热中子探测器3和超热中子探测器4 | 30cm±3cm |
| 近伽马探测器5 | 45cm±3cm |
| 远伽马探测器6 | 75cm±3cm |
近源距非弹性散射伽马计数通过近伽马探测器5测得，远源距非弹性散射伽马计数通过远伽马探测器6测得，热中子计数通过热中子探测器3测得，超热中子计数通过超热中子探测器4测得。
中子源为一面源，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。
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7中贴井壁偏心测量，保证测量信息更多来自于地层8而不是井眼，以增大计数率，提高测量精度，并降低井眼影响。
如图2所示，为快中子在地层8的输运过程，即探测器的探测原理。
通过脉冲中子测井仪器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8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。
本实施例还公开了上述计算地层密度方法的检验方法，以及刻度系数a、b和c的计算方法，包括以下步骤；
步骤一，为了能更好得到拟合参数，在蒙特卡洛数值模拟软件中建立测井仪器的模型，所建立模型必须要保证各个探测器与中子源的距离与实际中的一致，所建立模型的仪器各部分结构和材料均与实际一致。中子源为一面源，发射周期为100μs，发射时间设置在0-40us，且各向同性的向四周发射。
步骤二，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8，得出不同岩性下各孔隙度对应的模拟地层密度值，所选地层模型的密度范围为1.0g/cm3～2.86g/cm3。表2为本实施例使用的地层模型。
表2地层模型
步骤三：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表2所述每种地层8情况的测量数据，每个地层8的计算结果数据包括：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，以时间截断的方式获得非弹伽马和俘获伽马计数；采取记录中子通量的形式，并且结果与He-3气体截面进行卷积，最后以中子在中子探测器中的发生反应数作为中子计数输出。
步骤四：对模拟出的脉冲中子测井仪器测量结果进行处理分析，如图3所示，描述了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放的比值与密度之间的响应关系，如图4所示，描述了超热中子与热中子计数比值与密度之间的响应关系，可以看出，在3种岩性61个地层模型中，这2组响应关系均单调，说明采用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比值和超热中子与近热中子计数比值计算密度是符合响应规律的。
步骤五：应用在3种岩性61个地层模型的模拟数据，利用最优化算法，以下面的函数形式，拟合得到a、b和c三个刻度系数，三个刻度系数的推算方法可用在仪器出厂前的刻度数据确定。
步骤六：将步骤三中3种岩性61个地层模型的模拟得到的超热中子计数、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代入步骤6所述的公式，可以计算出预计地层密度。
步骤七：对上述计算结果进行效果分析。如图5所示，为仪器模拟计算得到的预计地层密度值与模拟地层密度值之间的关系，可以看出这点都均匀的分布在45度线周围，公式的线性度达到了0.994，如图6所示，预计地层密度值与模拟地层密度值的绝对误差，其中平均的绝对误差在0.28g/cm3左右。计算结果说明，本发明所描述的密度算法在3种岩性61个地层模型具有很好计算精度，同时，由于这3种岩性61个地层模型涵盖了实际地层密度范围，本发明所描述的密度算法的地质适应性也得到了验证。
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)
1.一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，通过脉冲中子测井的方法，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；
步骤二，根据步骤一中的数据，计算地层密度；
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(8)的密度；a、b和c为刻度系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，刻度系数a、b和c的计算包括以下步骤；
步骤一，使用数值模拟的方法，选取多种岩性的地层模型，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(8)，得出不同岩性下各孔隙度对应的模拟地层密度值；
步骤二，使用步骤一中数值模拟的方法，通过脉冲中子测井的方法，得到步骤一中每种地层(8)情况的测量数据，每种地层(8)情况的测量数据包括超热中子计数、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；
步骤三，通过步骤一中的模拟地层密度值和步骤二中的测量数据，带入公式中；
得到刻度系数a、b和c的值。
3.根据权利要求2所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，在步骤二的数值模拟中，以时间截断的方式分别先后获得非弹伽马和俘获伽马计数；超热中子计数和热中子计数均采取记录中子通量的形式，并且结果与He-3气体截面进行卷积，最后以中子在He-3管计数器中的发生反应数作为中子计数输出。
4.根据权利要求2所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，采用蒙特卡洛数值模拟软件进行数值模拟计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，通过脉冲中子测井仪器进行步骤一中数据的探测，脉冲中子测井仪器包含由下而上依次设置的中子源、并排设置的热中子探测器(3)和超热中子探测器(4)、近伽马探测器(5)和远伽马探测器(6)；
近源距非弹性散射伽马计数通过近伽马探测器(5)测得，远源距非弹性散射伽马计数通过远伽马探测器(6)测得，热中子计数通过热中子探测器(3)测得，超热中子计数通过超热中子探测器(4)测得。
6.根据权利要求5所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，热中子探测器(3)和超热中子探测器(4)与中子源的距离为30cm±3cm，近伽马探测器(5)与中子源的距离为45cm±3cm，远伽马探测器(6)与中子源的距离为75cm±3cm。
7.根据权利要求5所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，中子源与并排设置的热中子探测器(3)和超热中子探测器(4)之间通过屏蔽体(2)隔开。
8.根据权利要求5所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，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。
9.根据权利要求5所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，其特征在于，热中子计数采用He-3管计数器。
10.根据权利要求5所述的一种基于脉冲中子测井的计算地层密度方法，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。
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