CN111894564A - 一种基于x射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，该方法采用X射线岩性密度测井装置，按照如下步骤进行：步骤1：X射线源释放X射线与地层发生光电效应、康普顿散射作用后被探测器接收，以探测器探测的X射线能谱为依据，选定低能窗和高能窗，其计数分别为N_L、N_H，计算地层体积光电吸收截面指数U；步骤2：利用体积与光电吸收截面指数的关系，Pe可以表示为：Pe＝U/ρ_e；式中，ρ_e是地层电子密度指数，在X射线岩性密度测井中，ρ_e为测量参数之一，则在计算光电吸收截面指数时，可视为已知数。本发明可以有效消除地层密度对测量地层光电吸收截面指数Pe的影响，大幅度提高测量精度。

Description

一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的 方法

技术领域

本发明涉及一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，属于石油勘探技术领域。

背景技术

岩性密度测井是测量地层密度和光电吸收截面指数(Pe)的重要方式。岩性密度测井包括¹³⁷Cs岩性密度测井和X射线源岩性密度测井，¹³⁷Cs岩性密度测井采用化学元素铯，存在放射性。X射线源岩性密度测井中的X射线虽也具有放射性，但可以通过通断电来控制，从而尽可能降低对人体的危害。因此，X射线源岩性密度测井的应用越来越广泛。

在¹³⁷Cs岩性密度测井中，探测器接收经过地层的散射γ光子，并以能谱的形式产生，其中低能段为岩性窗，其计数受地层密度和光电吸收截面指数影响，高能段为密度窗，计数受地层密度的影响。目前，由于岩性窗计数与密度窗计数之间的比值R只受地层光电吸收截面指数的影响，不受地层密度的影响，从而可以计算地层的光电吸收截面指数，识别岩性。但是，对于X射线源岩性密度测井而言，密度窗的计数不仅受地层密度的影响，还受光电吸收截面指数的影响，所以R不仅受地层光电吸收截面指数的影响，还受地层密度的影响，则在依然利用比值R计算光电吸收截面指数时，因受地层密度的影响，误差较大。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法。该方法能降低地层密度对岩性窗和密度窗的计数比值R影响，明显提高光电吸收截面指数的测量精度。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，其特征在于，采用X射线岩性密度测井装置，该装置包括X射线源、近探测器和远探测器，X射线源、近探测器和远探测器均置于筒状壳体中，远探测器处于X射线源的上方，近探测器位于X射线源和远探测器之间；X射线源通过X射线源准直孔与地层相连通，近探测器通过近准直孔与地层相连通，远探测器通过远准直孔与地层相连通；在筒状壳体中且位于X射线源和近探测器之间，以及近探测器和远探测器之间均设置有屏蔽体；

该方法包括以下步骤：

(1)X射线进入地层发生光电效应和康普顿散射作用，其衰减公式为：

式中，μ_ph、μ_c分别为光电吸收系数、康普顿衰减系数，da表示视源距，N为探测器的计数率，N₀为零源距的探测器计数率；

石油测井常见地层的光电吸收系数表示为：

式中，N_A为阿伏伽德罗常数，P_e为光电吸收截面指数，

为等效地层原子序数，ρ_e为电子密度指数，定义为

ρ表示地层密度，A为地层原子的质量数，a(E)是关于能量E的函数，k为常数，U为地层体积光电吸收截面指数；

石油测井常见地层的康普顿衰减系数表示为：

式中，b(E)是关于能量E的函数，σ_c,e为电子散射截面，是一个常数；

则将X射线衰减关系写为：

低能窗计数N_L和高能窗计数N_H与岩石特性关系，可以表示为：

在双对数坐标下，光电吸收系数与能量成正比关系，l表示低能窗，h表示高能窗，此时相对应的光电吸收系数的关系为：

经变形：

μ_ph,l＝μ_ph,h ^α

其中α为常数，与能量有关；

此时高能窗h与低能窗l的计数分别表示为：

A_hU+B_hρ_e＝ln(N_h)+C_h

A_lU^α+B_lρ_e＝ln(N_l)+C_l

再利用蒙特卡罗数值模拟的方法或者实验刻度的方法，得到地层体积光电吸收截面指数的公式，可以表示为：

U＝(aln(N_H)+bln(N_L)+c)^f (1)

式中，a、b、c、f是与仪器有关的固定参数；

(2)根据地层体积光电吸收截面指数与Pe的关系，则有

Pe＝U/ρ_e (2)

式中，ρ_e是地层电子密度指数，在X射线岩性密度测井中，ρ_e为测量参数之一，则在计算光电吸收截面指数时，可视为已知数；

(3)X射线源释放X射线与地层发生光电效应、康普顿散射作用后被近探测器和远探测器接收，以近探测器和远探测器探测的X射线能谱为依据，选定低能窗和高能窗，其计数分别为N_L、N_H，代入公式(1)可计算得到地层体积光电吸收截面指数U，再将地层体积光电吸收截面指数U代入公式(2)，即可计算得到光电吸收截面指数P_e。

优选的，所述X射线源的电压为200-600Kv，更加优选300-400Kv。

优选的，所述低能窗范围为0.04-0.12MeV，更加优选为0.04-0.08MeV；高能窗范围为0.15-0.4MeV，更加优选为0.15-0.3MeV。

上述的近探测器和远探测器均采用碘化钠(NaI)或者溴化镧(LaBr3)晶体探测器。

本发明的有益技术效果是：

与现有技术相比，本发明一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数Pe的方法，利用X射线与地层发生的光电效应和康普顿散射原理，首先通过低能窗、高能窗的计数计算地层的体积光电吸收截面指数，然后再计算地层的光电吸收截面指数Pe。通过这种方法，可以有效消除地层密度对测量地层光电吸收截面指数Pe的影响，大幅度提高测量精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数Pe的方法所涉及测量装置的示意图；

图2为利用图1测量装置获得的X射线能谱以及本发明所选的低能窗和高能窗的示意图；

图3为不同地层对X射线的光电吸收系数与射线能量的关系图；

图4为本发明方法与采用比值R方法计算Pe的误差对比图；

图5为采用本发明方法与采用比值R方法分别计算地层光电吸收截面指数Pe的对比图。

具体实施方式

如图1所示，一种X射线岩性密度测井装置，该装置包括X射线源1、近探测器3和远探测器5，X射线源1、近探测器3和远探测器5均置于筒状壳体中，筒状壳体置于井眼中，井眼的周围为测量地层8。远探测器5处于X射线源1的上方，近探测器3位于X射线源1和远探测器5之间。X射线源1通过X射线源准直孔2与地层相连通，近探测器3通过近准直孔4与地层相连通，远探测器5通过远准直孔6与地层相连通。在筒状壳体中且位于X射线源1和近探测器3之间，以及近探测器3和远探测器5之间均设置有屏蔽体7。

所述X射线源的电压为350Kv，所述近探测器3和远探测器5采用NaI晶体探测器，近探测器3为直径3cm、长3cm圆柱体，远探测器5为直径3cm、长5cm的圆柱体；所述X射线源1与近探测器3的近源距为14cm，X射线源1与远探测器5的远源距为24cm；所述屏蔽体材料为铅。

下面对本发明基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数Pe的方法进行说明。

一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，采用如上所述的X射线岩性密度测井装置，具体包括以下步骤：

(1)X射线进入地层发生光电效应和康普顿散射作用，则其的衰减规律为：

式中，μ_ph、μ_c分别为光电吸收系数、康普顿衰减系数，da表示视源距，N为探测器的计数率，N₀为零源距的探测器计数率；。

石油测井常见地层的光电吸收系数表示为：

式中，N_A为阿伏伽德罗常数，P_e为光电吸收截面指数，

为等效地层原子序数，ρ_e为电子密度指数，定义为

ρ表示地层密度，A为地层原子的质量数，a(E)是关于能量E的函数，k为常数，U为地层体积光电吸收截面指数。

石油测井常见地层的康普顿衰减系数表示为：

式中，b(E)是关于能量E的函数，σ_c,e为电子散射截面，是一个常数。

则可以将X射线衰减关系写为：

根据图2，可以知道低能窗计数N_L和高能窗计数N_H与岩石特性关系，可以表示为：

根据图3，在双对数坐标下，光电吸收系数与能量成正比关系，l表示低能窗，h表示高能窗，此时相对应的光电吸收系数的关系为：

经变形：

μ_ph,l＝μ_ph,h ^α

其中α为常数，与能量有关。

此时高能窗h与低能窗l的计数分别表示为：

A_hU+B_hρ_e＝ln(N_h)+C_h

A_lU^α+B_lρ_e＝ln(N_l)+C_l

再利用蒙特卡罗数值模拟的方法或者实验刻度的方法，得到地层体积光电吸收截面指数的公式，可以表示为：

U＝(aln(N_H)+bln(N_L)+c)^f (1)

式中，a、b、c、f是与仪器有关的固定参数；

(2)根据地层体积光电吸收截面指数与Pe的关系，则有

Pe＝U/ρ_e (2)

式中，ρ_e是地层电子密度指数，在X射线岩性密度测井中，ρ_e为测量参数之一，则在计算光电吸收截面指数时，可视为已知数。

(3)X射线源释放X射线与地层发生光电效应、康普顿散射作用后被近探测器和远探测器接收，以近探测器和远探测器探测的X射线能谱为依据，选定低能窗和高能窗，其计数分别为N_L、N_H，代入公式(1)可计算得到地层体积光电吸收截面指数U，再将地层体积光电吸收截面指数U代入公式(2)，即可计算得到光电吸收截面指数Pe。

上述X射线源的电压为200-600Kv。

上述低能窗范围为0.04-0.12MeV，高能窗范围为0.15-0.4MeV。

下面通过具体应用实例对本发明作进一步说明：

基于上述原理分析，利用蒙特卡罗模拟程序建立X射线岩性密度测井仪器在地层测量过程，其中X射线源的电压为350Kv，近探测器的尺寸为Φ2.5×2cm，远探测器的尺寸为Φ3.5×4cm；近探测器与X射线源的距离为12cm，远探测器与X射线源的距离为24cm；屏蔽的体的材料为铅，源准直孔、近准直孔、远准直孔的材料均为Peek。根据蒙特卡罗模拟数据刻度仪器可得：

U＝(-0.2634×ln(N_H)-0.36058×ln(N_L)+2.2346)^3.82

Pe＝U/ρ_e

选用孔隙度为0-30％含水砂岩、白云岩和石膏、铝、镁、金刚砂、盐岩等多种岩石地层作为被测对象，基于X射线岩性密度测井，采用本发明的方法与采用传统的比值法分别计算地层的光电吸收截面指数Pe，对比结果如图4和图5所示。根据图4和图5可见，利用本发明的方法可以有效的消除地层密度的影响，计数Pe精度大大提高。

本发明一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数Pe的方法，X射线与地层主要发生光电效应和康普顿散射作用，通过在探测器接收的X射线能谱选定低能窗和高能窗，利用蒙特卡罗模拟或实验刻度方法消除了地层密度的影响，从而精确计算地层光电吸收截面指数Pe。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述实施方式，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，其特征在于，采用X射线岩性密度测井装置，该装置包括X射线源、近探测器和远探测器，X射线源、近探测器和远探测器均置于筒状壳体中，远探测器处于X射线源的上方，近探测器位于X射线源和远探测器之间；X射线源通过X射线源准直孔与地层相连通，近探测器通过近准直孔与地层相连通，远探测器通过远准直孔与地层相连通；在筒状壳体中且位于X射线源和近探测器之间，以及近探测器和远探测器之间均设置有屏蔽体；

该方法包括以下步骤：

(1)X射线进入地层发生光电效应和康普顿散射作用，其衰减公式为：

式中，μ_ph、μ_c分别为光电吸收系数、康普顿衰减系数，d_a表示视源距，N为探测器的计数率，N₀为零源距的探测器计数率；

石油测井常见地层的光电吸收系数表示为：

式中，N_A为阿伏伽德罗常数，P_e为光电吸收截面指数，

为等效地层原子序数，ρ_e为电子密度指数，定义为

ρ表示地层密度，A为地层原子的质量数，a(E)是关于能量E的函数，k为常数，U为地层体积光电吸收截面指数；

石油测井常见地层的康普顿衰减系数表示为：

式中，b(E)是关于能量E的函数，σ_c,e为电子散射截面，是一个常数；

则将X射线衰减关系写为：

低能窗计数N_L和高能窗计数N_H与岩石特性关系，可以表示为：

在双对数坐标下，光电吸收系数与能量成正比关系，l表示低能窗，h表示高能窗，此时相对应的光电吸收系数的关系为：

经变形：

μ_ph,l＝μ_ph,h ^α

其中α为常数，与能量有关；

此时高能窗h与低能窗l的计数分别表示为：

A_hU+B_hρ_e＝ln(N_h)+C_h

A_lU^α+B_lρ_e＝ln(N_l)+C_l

再利用蒙特卡罗数值模拟的方法或者实验刻度的方法，得到地层体积光电吸收截面指数的公式，可以表示为：

U＝(aln(N_H)+bln(N_L)+c)^f (1)

式中，a、b、c、f是与仪器有关的固定参数；

(2)根据地层体积光电吸收截面指数与Pe的关系，则有

Pe＝U/ρ_e (2)

(3)X射线源释放X射线与地层发生光电效应、康普顿散射作用后被近探测器和远探测器接收，以近探测器和远探测器探测的X射线能谱为依据，选定低能窗和高能窗，其计数分别为N_L、N_H，代入公式(1)可计算得到地层体积光电吸收截面指数U，再将地层体积光电吸收截面指数U代入公式(2)，即可计算得到光电吸收截面指数P_e。

2.根据权利要求1所述的一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，其特征在于：所述X射线源的电压为200-600Kv。

3.根据权利要求1所述的一种基于X射线岩性密度测井计算地层光电吸收截面指数的方法，其特征在于：所述低能窗范围为0.04-0.12MeV，高能窗范围为0.15-0.4MeV。

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