CN110552680B - 一种利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，包括以下步骤：1)设计可控源测井仪器，所述可控源测井仪器包含中子源及伽马探测器；2)中子源以恒定能量发出中子，中子以固定初始速度沿不同角度射出；3)中子与地层核素碰撞后发生非弹性散射，并产生伽马射线；4)通过伽马探测器接收步骤3)产生的伽马射线；5)记录不同时间接收到的伽马射线信息，构建发生非弹性散射位置的径向空间分布；6)地层进行径向切片，并对各径向切片的伽马射线进行能谱与计数分析，得地层参数径向空间分布；7)对于在地层不同深度，重复步骤1)至步骤6)，以构建地层参数的整个空间分布，该方法能够测量地层参数空间分布。
Description
技术领域
本发明属于石油测井技术领域，涉及一种利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法。
背景技术
核测井技术广泛应用于石油勘探开发，通过测井仪器的可控源向地层发射中子，中子在地层中输运的过程中，与地层粒子碰撞发生非弹性散射，并同时发射出伽马射线，当能量降低到一定阈值，被地层粒子俘获吸收，并发射出伽马射线。通过测井仪器中的伽马探测器接收这些伽马射线，并进行计数和能谱分析，从而测量含油饱和度、元素含量、地层密度及地层孔隙度等地层参数的信息。
中子在地层与地层粒子碰撞位置是随机的，故其发生非弹性散射发射出伽马射线的位置也是无法确定的，伽马探测器所探测到的地层信息的具体位置也无法确定，传统的核测井方法主要针对均质地层，无法得到地层参数的空间分布信息。而非均值地层裂缝、孔隙度信息对非常规油气勘探更有意义，地层参数空间分布的获取显得更为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，该方法能够测量地层参数空间分布。
为达到上述目的，本发明所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法包括以下步骤：
1)设计可控源测井仪器，所述可控源测井仪器包含中子源及伽马探测器，其中，中子源T使用脉冲时序控制方法进行控制；
2)中子源以恒定能量发出中子，中子以固定初始速度沿不同角度射出；
3)中子与地层核素碰撞后发生非弹性散射，并产生伽马射线；
4)通过伽马探测器接收步骤3)产生的伽马射线，测量中子发射与中子和地层核素碰撞发生非弹性散射之间的中子输运时间，忽略伽马射线的产生至伽马射线被伽马探测器接收之间的时间；
5)记录不同时间接收到的伽马射线信息，再根据步骤4)得到的中子输运时间与伽马射线到达伽马探测器的径向距离之间的关系，构建发生非弹性散射位置的径向空间分布；
6)地层进行径向切片，并对各径向切片的伽马射线进行能谱与计数分析，得地层参数径向空间分布；
7)对于在地层不同深度，重复步骤1)至步骤6)，以构建地层参数的整个空间分布。
中子源的中子发射角度在预设的角度范围内，其中，预设角度范围外的中子被屏蔽体吸收。
中子源发射中子的过程为：在电离室将氘原子电离成电子和氘核，再通过高压电场对氘核进行加速，再轰击氚靶，以产生中子。
中子源发射中子的过程为：D-T聚变反应产生中子。
通过设置时间槛t对地层进行径向分层，得若干径向切片，中子输运t时间后到达井壁泥浆层，伽马探测器剔除时间小于t的伽马计数，对大于t的伽马计数进行保存；通过设置多个时间槛，以形成多个径向切片，对地层不同径向距离的径向切片地层参数进行测量，对各径向切片的非弹性散射释放的伽马射线进行能谱分析，以测量各种元素的含量，其中，根据任一位置的C含量测定该位置地层的含油饱和度，根据Ca、Si、Fe及Mg元素的含量测定该位置地层的岩性和矿物含量，根据H及O元素的含量测定地层的孔隙度。
设置时间槛t，伽马探测器的计数率随地层半径的增加呈指数下降，同时伽马探测器的计数率随时间的增加呈指数下降；通过测量伽马探测器的计数率判断不同时刻对应的径向距离的地层状况。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法在具体操作时，利用中子与地层核素碰撞后发生非弹性散射，并产生伽马射线，通过伽马探测器接收步骤3)产生的伽马射线，并以此确定地层参数空间分布，例如地层含油饱和度、元素含量及地层孔隙度等信息，从而达到测量地层参数空间分布的目的。
附图说明
图1为本发明中地层切片图；
图2为本发明中脉冲时序控制中子源结构图；
图3为本发明中D-T聚变反应原理图；
图4为本发明中测井仪器结构图；
图5为本发明中时空关系原理图；
图6为本发明中脉冲时序图；
图7为本发明中非弹性散射时间与空间分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法包括以下步骤：
1)设计可控源测井仪器，所述可控源测井仪器包含中子源及伽马探测器，其中，中子源T使用脉冲时序控制方法进行控制，其控制时序图如图6所示，每隔20ns发射一次；
如图2所示，中子源发射中子的过程为：在电离室将氘原子电离成电子和氘核，再通过高压电场对氘核进行加速，再轰击氚靶，以产生中子。或者直接利用D-T聚变反应产生中子。
另外，利用D-T中子源在产生中子的过程中同时产生α粒子，通过测定α粒子产生时间来确定中子发射时间，从而确定中子输运时间的方法。如图3所示，T为中子源，α粒子由探测器接收并由此确定中子发出时间，α粒子探测器距离源很近，其到达探测器的时间为一定值或忽略不计，故发生非弹性散射的位置的径向距离与其输运时间有一定的相关性。
2)中子源以恒定能量发出中子，中子以固定初始速度沿不同角度射出，其中，中子源的中子发射角度在预设的角度范围内，其中，小于预设角度范围的中子被屏蔽体吸收，大于预设角度范围的中子达到探测器的几率较小，可不予考虑，可以保证中子输运时间与径向距离之间的相关性，参考图4，角度限制在TA、TB以及TC、TD射线范围；
3)中子与地层核素碰撞后发生非弹性散射，并发射出伽马射线；
4)通过伽马探测器接收步骤3)产生的伽马射线，测量中子发射与中子和地层核素碰撞发生非弹性散射之间的中子输运时间，由于伽马射线速度为光速，故忽略伽马射线的产生至伽马射线被伽马探测器接收之间的时间；
具体的，如图5所示，中子在t0时刻由中子源发出，在第一非弹性散射之前，中子的输运方向是固定的，且中子发射的能量保持不变，初速度也保持不变，假设某中子第一次非弹性散射的时间为t1，产生伽马射线到达伽马探测器的时间为t2，由于伽马射线以光速传播，故t0到t1的时间与t0到t2的时间几乎相同，故可以以伽马探测器探测时间和中子发射时间的差值T作为中子的输运时间。由于中子初速度相同，则中子输运距离与中子输运时间成正比，而根据仪器结构，中子的出射角被限制在一定范围内，故发生非弹性散射的位置的径向距离与中子的输运距离成正比，可由时间T来反应伽马射线产生的位置信息。
5)记录不同时间接收到的伽马射线信息，再根据步骤4)得到的中子输运时间与伽马射线到达伽马探测器的径向距离之间的关系，构建发生非弹性散射位置的径向空间分布；
6)地层进行径向切片，并对各径向切片的伽马射线进行能谱与计数分析，得地层参数径向空间分布；
7)对于在地层不同深度，重复步骤1)至步骤6)，以构建地层参数的整个空间分布。
通过设置时间槛t对地层进行径向分层，得若干径向切片，中子输运t时间后到达井壁泥浆层，伽马探测器剔除时间小于t的伽马计数，对大于t的伽马计数进行保存；通过设置多个时间槛，以形成多个径向切片，对地层不同径向距离的径向切片地层参数进行测量，对各径向切片的非弹性散射释放的伽马射线进行能谱分析，以测量各种元素的含量，其中，根据任一位置的C含量测定该位置地层的含油饱和度，根据Ca、Si、Fe及Mg元素的含量测定该位置地层的岩性和矿物含量，根据H及O元素的含量测定地层的孔隙度。
设置时间槛t，伽马探测器的计数率随地层半径的增加呈指数下降，同时伽马探测器的计数率随时间的增加呈指数下降；通过测量伽马探测器的计数率判断不同时刻对应的径向距离的地层状况，通过测量的伽马探测器计数率，对比不同时刻伽马计数与该时刻对应的指数下降规律的计数，可以判断出该时刻对应的径向距离的地层状况，如地层裂缝和孔洞是否存在。
实施例一
选取合适参数，设计可控源测井仪器，在模拟软件Geant4中对仪器进行建模，并设置各部件材料。使用Geant4程序建立一个3m×3m的地层，选取合适的岩性及含油饱和度。投放一定数量的粒子进行模拟，输出每个中子发生非弹性散射或俘获的位置、中子出射角、伽马产生时间及伽马射线能量等信息，根据上述信息计算出地层含油饱和度、矿物含量、地层裂缝及地层孔隙度等参数。
根据模拟得到的信息，绘制非弹性散射的时间与径向距离的分布图，如图7所示，时间与径向距离的相关性良好，基本集中在一条线性的包络线上，利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法是可行的，效果良好。
Claims (6)
1.一种利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计可控源测井仪器，所述可控源测井仪器包含中子源及伽马探测器，其中，中子源T使用脉冲时序控制方法进行控制；
2)中子源以恒定能量发出中子，中子以固定初始速度沿不同角度射出；
3)中子与地层核素碰撞后发生非弹性散射，并产生伽马射线；
4)通过伽马探测器接收步骤3)产生的伽马射线，测量中子发射与中子和地层核素碰撞发生非弹性散射之间的中子输运时间，忽略伽马射线的产生至伽马射线被伽马探测器接收之间的时间；
5)记录不同时间接收到的伽马射线信息，再根据步骤4)得到的中子输运时间与伽马射线到达伽马探测器的径向距离之间的关系，构建发生非弹性散射位置的径向空间分布；
6)地层进行径向切片，并对各径向切片的伽马射线进行能谱与计数分析，得地层参数径向空间分布；
7)对于在地层不同深度，重复步骤1)至步骤6)，以构建地层参数的整个空间分布。
2.根据权利要求1所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，其特征在于，中子源的中子发射角度在预设的角度范围内，其中，预设角度范围外的中子被屏蔽体吸收。
3.根据权利要求1所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，其特征在于，中子源发射中子的过程为：在电离室将氘原子电离成电子和氘核，再通过高压电场对氘核进行加速，再轰击氚靶，以产生中子。
4.根据权利要求1所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，其特征在于，中子源发射中子的过程为：D-T聚变反应产生中子。
5.根据权利要求1所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，其特征在于，通过设置时间槛t对地层进行径向分层，得若干径向切片，中子输运t时间后到达井壁泥浆层，伽马探测器剔除时间小于t的伽马计数，对大于t的伽马计数进行保存；通过设置多个时间槛，以形成多个径向切片，对地层不同径向距离的径向切片地层参数进行测量，对各径向切片的非弹性散射释放的伽马射线进行能谱分析，以测量各种元素的含量，其中，根据任一位置的C含量测定该位置地层的含油饱和度，根据Ca、Si、Fe及Mg元素的含量测定该位置地层的岩性和矿物含量，根据H及O元素的含量测定地层的孔隙度。
6.根据权利要求1所述的利用中子输运时间测量地层参数空间分布的方法，其特征在于，设置时间槛t，伽马探测器的计数率随地层半径的增加呈指数下降，同时伽马探测器的计数率随时间的增加呈指数下降；通过测量伽马探测器的计数率判断不同时刻对应的径向距离的地层状况。
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