CN112179924B - 一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法。本发明采用脉冲中子能谱测井仪器作为测量装置，在脉冲中子能谱测井仪器任意伽马探测器外侧设置硼套，将带硼套伽马探测器的脉冲中子能谱测井仪器在井中居中测量，记录脉冲中子能谱测井仪器中带硼套伽马探测器探测的实测俘获伽马能谱，设置铁元素能窗和硼元素能窗，根据实测俘获伽马能谱，计算铁元素能窗与硼元素能窗内的伽马计数比值；再建立蒙特卡罗数值模拟模型，模拟得到不同套管厚度条件下铁元素能窗和硼元素能窗内的伽马计数，确定能窗伽马计数比值与套管厚度的响应关系，建立套管厚度评价模型进行套管厚度评价。本发明拓展了脉冲中子能谱测井仪器的应用，有利于套管厚度的准确评价。

Description

一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法

技术领域

本发明属于矿场地球物理测井领域，具体涉及一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法。

背景技术

油气勘探过程中，套管作为连接地下环境与地面的重要通道，在油气井施工及生产中发挥着关键作用。复杂的地质运动、地下环境及施工过程中的人为因素均是造成套管损伤的主要原因，而因套管缺损所导致的油水层窜槽等事故已成为制约油气开采的瓶颈，因此，针对套管井检测技术的研究对于指导油气田可持续生产和施工安全具有重要意义。

常见套管评价测井方法包括井壁超声成像测井、多臂井径测井和电磁探伤测井，各常见套管评价测井方法通常需要配套使用专门的测井仪器及数据处理方法，而其中部分测井仪器受尺寸的制约，只能单独下井测量，大幅度增加了油田的开发和生产成本。

脉冲中子能谱测井作为油田生产过程中必不可少的一种测井技术，通常用于评价地层的剩余油饱和度以及研究下套管后的地层性质等方面。脉冲中子能谱测径仪的脉冲中子源向地层发射能量为14MeV的高能快中子，中子与地层中特定的元素发生反应后产生特征伽马射线，通过探测器探测相关元素能谱及时间谱，采用特定数据处理方法处理后获得评价参数。由于套管中的铁元素与热中子发生俘获反应后产生能量为7.6MeV的俘获伽马射线，而套管厚度的变化直接影响探测器记录的特征伽马计数；硼元素具有非常高的俘获截面，在硼中子测井中通常作为示踪剂指示地层水的动态分布，测井仪器中也经常利用硼套实现热中子屏蔽功能。因此，亟需利用脉冲中子能谱测井技术的特点，提出一种新的套管厚度评价方法，用于探测套管损伤。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法，通过在脉冲中子能谱测井仪器的伽马探测器上设置硼套，利用脉冲中子能谱测井仪器探测套管中铁元素的俘获伽马射线强度评价套管厚度，探测套管损伤。

一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法，采用脉冲中子能谱测井仪器作为测量装置，具体包括以下步骤：

步骤一：在脉冲中子能谱测井仪器中任选一个伽马探测器套入硼套内；

步骤二：将脉冲中子能谱测井仪器置于井中，测量方式采用居中测量，记录脉冲中子能谱测井仪器中带硼套伽马探测器探测的实测俘获伽马能谱，分别设置铁元素能窗和硼元素能窗的取值范围，根据实测俘获伽马能谱，分别计算铁元素能窗和硼元素能窗内的伽马计数；

步骤三：基于蒙特卡罗数值模拟方法，根据步骤一中脉冲中子能谱测井仪器参数、硼套厚度和地层参数，建立蒙特卡罗数值模拟模型，分别改变蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度，模拟得到不同套管厚度条件下铁元素能窗和硼元素能窗内的伽马计数，计算各套管厚度条件下铁元素能窗与硼元素能窗的伽马计数比值，得到套管厚度与计数比值间的响应关系；

步骤四：通过对能窗计数比值与套管厚度进行数值拟合分析，建立套管厚度评价模型，结合实测俘获伽马能谱中铁元素能窗与硼元素能窗的伽马计数比值，进行套管厚度评价。

优选地，所述脉冲中子能谱测井仪器的伽马探测器为LaBr3探测器。

优选地，所述步骤一中，硼套厚度为1cm。

优选地，所述步骤二中，铁元素能窗的取值范围为7.5-7.7MeV，硼元素能窗的取值范围为0.4-0.6MeV。

优选地，所述步骤四中，套管厚度评价模型为：

T_casing＝A×(N_Fe/N_B)+B (1)

式中，T_casing表示套管厚度，单位为cm；N_Fe表示铁元素特征伽马计数；N_B表示硼元素特征伽马计数；A和B表示拟合系数。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明通过在脉冲中子能谱测井仪器中任意伽马探测器外侧设置硼套，根据脉冲中子能谱测井仪器参数、硼套厚度和实际测量环境建立蒙特卡罗数值模拟模型，模拟确定铁元素能窗与硼元素能窗内伽马计数比值与套管厚度的响应关系，建立套管厚度评价模型；本发明通过在脉冲中子能谱测井仪器的伽马探测器外设置硼套，实现了利用脉冲中子能谱测井仪器测量套管厚度，简单易行，拓展了脉冲中子能谱测井仪器的应用，为套管评价提供了新方法。

附图说明

图1为脉冲中子能谱测井仪器示意图。图中：1为井眼流体，2为套管，3为水泥环，4为地层，5为硼套，6为LaBr3探测器，7为屏蔽体，8为脉冲中子发生器。

图2为不同套管厚度条件下的俘获伽马能谱。

图3为不同套管厚度条件下热中子计数与硼俘获伽马计数的响应关系。

图4为铁元素能窗与硼元素能窗的伽马计数比值与套管厚度间的响应关系。

图5为本发明方法套管厚度评价效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明提出了一种基于硼中子俘获的井下套管损伤探测方法，采用脉冲中子能谱测井仪器作为测量装置，具体包括以下步骤：

步骤一：在脉冲中子能谱测井仪器中任选一个伽马探测器套入硼套内，如图1所示；

步骤二：将脉冲中子能谱测井仪器置于井中，脉冲中子能谱测井仪器在井中的测量方式为居中测量，记录脉冲中子能谱测井仪器中带硼套伽马探测器探测的实测俘获伽马能谱；

由于脉冲中子能谱测井仪器的脉冲中子发生器向地层发射中子，中子与地层中的各种元素发生俘获反应产生特征伽马射线，利用脉冲中子能谱测井仪器的伽马探测器探测特征伽马射线，伽马探测器探测到的特征伽马计数A_x为：

式中，A_x表示x元素的特征伽马计数；m_x表示x元素的质量，单位为g；M_x表示x元素的摩尔质量，单位为g/mol；m_i表示化合物中第i种元素的质量，单位为g；M_i表示化合物中第i种元素的摩尔质量，单位为g/mol；N_A表示阿伏伽德罗常数，N_A＝6.022×10²³；σ_x表示x元素的微观俘获截面，单位为b；σ_i表示化合物中第i种元素的微观俘获截面，单位为b；θ_x表示俘获同位素的丰度；ε_x表示探测器的探测效率。

当利用脉冲中子能谱测井仪器对套管井进行测量时，脉冲中子发生器发射的中子与套管、水泥环、井眼流体和地层介质发生反应，其中，套管主要由铁元素组成，因此，脉冲中子能谱测井仪器伽马探测器探测到的铁元素特征伽马计数N_Fe为：

式中，φ_th表示热中子通量，为单位时间通过单位面积的中子数；σ_Fe表示铁元素的微观俘获截面，单位为b；ε_Fe表示铁元素的丰度；w_{Fe_casing}表示套管中铁元素的比例；w_{Fe_housing}表脉冲中子能谱测井仪器外壳中铁元素的比例；M_Fe表示铁元素的摩尔质量，单位为g/mol；ρ_casing表示套管密度，单位为g/cm³；ρ_housing表示脉冲中子能谱测井仪器的仪器外壳密度，单位为g/cm³；V_casing表示套管体积，单位为cm³；V_housing表示脉冲中子能谱测井仪器的仪器外壳体积，单位为cm³。

通过对公式(3)进行化简得到：

式中，S表示脉冲中子能谱仪器探测器范围内的套管表面积，单位为cm²。

公式(3)中套管和脉冲中子能谱测井仪器外壳的密度、体积等参数均为常数，伽马探测器测量的铁元素特征伽马计数与热中子通量两者间的比值同套管厚度存在一定的关系。由于伽马探测器无法直接测量热中子通量，通过在脉冲中子能谱测井仪器的伽马探测器外侧设置一层硼套，利用伽马探测器测量的硼元素特征伽马计数表征热中子计数，硼元素与热中子的反应方程式如下所示：

¹⁰B+¹n→⁷Li(0.84MeV)+⁴He(1.47MeV)+γ(0.48MeV)(5)

通过公式(5)可得，硼元素与热中子发生反应产生能量为0.48MeV的俘获伽马射线，并且硼元素的俘获截面为3837b，远高于常见地层元素的俘获截面，由此可得，可以利用硼元素俘获伽马射线强度变相表征热中子计数。

根据脉冲中子能谱测井仪器带硼套伽马探测器的实测俘获伽马能谱，由于铁元素特征峰能量为7.62MeV，硼元素特征峰能量为0.48MeV，设置铁元素能窗的能量范围为7.5-7.7MeV，设置硼元素能窗的能量范围为0.4-0.6MeV，分别计算实测俘获伽马能谱中铁元素能窗与硼元素能窗内的伽马计数。

步骤三：基于蒙特卡罗数值模拟方法，根据实际测量过程中使用的脉冲中子能谱测井仪器参数、硼套厚度和实际地层参数，建立蒙特卡罗数值模拟模型，其中，井眼尺寸为8in，硼套厚度为1cm，套管材质为17-4不锈钢，水泥环厚度为3cm，水泥环成分为硅酸钙，脉冲中子能谱测井仪器的近探测器源距为35cm、远探测器源距为70cm，地层为孔隙度20％的砂岩地层。

基于蒙特卡罗数值模拟模型，依次改变蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度为0.02cm、0.3cm和0.7cm，模拟得到不同套管厚度条件下的俘获伽马能谱，如图2所示，通过分析图2中各套管厚度条件下俘获伽马能谱中铁元素能窗内的伽马计数和硼元素能窗内的伽马计数，得到铁元素能窗内伽马计数和硼元素能窗内伽马计数均随着套管厚度的增加而增加；设置蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度为0.7cm，模拟得到铁元素能窗与硼元素能窗内的伽马计数比值在1井眼-地层空间的分布情况，分析后得到套管所在区域铁元素能窗与硼元素能窗内的伽马计数比值明显高于周围地层，套管指示明显，改变蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度为0.02cm，再次模拟铁元素能窗与硼元素能窗内的伽马计数比值在井眼-地层空间的分布情况，发现当套管厚度为0.02cm时整个井眼和地层区域没有明显的套管指示，进一步验证了通过在伽马探测器外侧设置硼套，利用该俘获伽马能谱记录的铁元素能窗与硼元素能窗两者的伽马计数比值，能够有效地指示套管。

基于蒙特卡罗数值模拟模型，依次改变蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度，模拟得到不同套管厚度条件下的热中子计数与硼元素俘获伽马计数间的响应关系，如图3所示，分析可得热中子计数与硼元素俘获伽马计数呈线性相关，利用硼元素俘获伽马计数可以表征热中子强度。

基于蒙特卡罗数值模拟模型，设置蒙特卡罗数值模拟模型中井眼尺寸为8in、地层为孔隙度15％的砂岩地层，依次改变蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度，模拟后得到不同套管厚度条件下铁元素能窗内与硼元素能窗内的伽马计数比值，确定伽马计数比值与套管厚度间的响应关系，如图4所示，由图4可得，伽马计数比值随着套管厚度的增加而增加。

步骤四：通过对能窗计数比值与套管厚度进行数值拟合分析，建立套管厚度评价模型，如下所示：

T_casing＝1.688×(N_Fe/N_B)-0.546 (6)

式中，T_casing表示套管厚度，单位为cm；N_Fe表示铁元素特征伽马计数；N_B表示硼元素特征伽马计数。

根据建立套管厚度评价模型，结合实测俘获伽马能谱中铁元素能窗与硼元素能窗的伽马计数比值，进行套管厚度评价。

图5所示为利用本发明方法评价套管厚度的效果对比图，其中，第一道为深度道，第二道为岩性道，包括地层孔隙度和岩性，第三道为铁元素能窗内的伽马计数，第四道为硼元素能窗内的伽马计数，第五道为铁元素能窗与硼元素能窗内的伽马计数比值，第六道为本发明方法计算的套管厚度评价结果，其中实线为采用本发明方法计算的套管厚度值，虚线为实际套管厚度值。

通过对比图5中实际套管厚度值和采用本发明方法计算的套管厚度值，可以看出，本发明方法计算的套管厚度值与实际套管厚度值吻合较好，采用本发明方法进行套管厚度评价精确度高，套管厚度计算结果准确。

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举例，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 (5)

1.一种基于硼中子俘获的油气井套管损伤探测方法，采用脉冲中子能谱测井仪器作为测量装置，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：在脉冲中子能谱测井仪器中任选一个伽马探测器套入硼套内；

步骤二：将脉冲中子能谱测井仪器置于井中，测量方式采用居中测量，记录脉冲中子能谱测井仪器中带硼套伽马探测器探测的实测俘获伽马能谱，分别设置铁元素能窗和硼元素能窗的取值范围，根据实测俘获伽马能谱，分别计算铁元素能窗和硼元素能窗内的伽马计数；

步骤三：基于蒙特卡罗数值模拟方法，根据步骤一中脉冲中子能谱测井仪器参数、硼套厚度和地层参数，建立蒙特卡罗数值模拟模型，分别改变蒙特卡罗数值模拟模型的套管厚度，模拟得到不同套管厚度条件下铁元素能窗和硼元素能窗内的伽马计数，计算各套管厚度条件下铁元素能窗与硼元素能窗的伽马计数比值，得到套管厚度与计数比值间的响应关系；

步骤四：通过对能窗计数比值与套管厚度进行数值拟合分析，建立套管厚度评价模型，结合实测俘获伽马能谱中铁元素能窗与硼元素能窗的伽马计数比值，进行套管厚度评价。

2.根据权利要求1所述的一种基于硼中子俘获的油气井套管损伤探测方法，其特征在于，所述脉冲中子能谱测井仪器的伽马探测器为LaBr3探测器。

3.根据权利要求1所述的一种基于硼中子俘获的油气井套管损伤探测方法，其特征在于，所述步骤一中，硼套厚度为1cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于硼中子俘获的油气井套管损伤探测方法，其特征在于，所述步骤二中，铁元素能窗的取值范围为7.5-7.7MeV，硼元素能窗的取值范围为0.4-0.6MeV。

5.根据权利要求1所述的一种基于硼中子俘获的油气井套管损伤探测方法，其特征在于，所述步骤四中，套管厚度评价模型为：

T_casing＝A×(N_Fe/N_B)+B (1)

式中，T_casing表示套管厚度，单位为cm；N_Fe表示铁元素特征伽马计数；N_B表示硼元素特征伽马计数；A和B表示拟合系数。

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