CN114442182B - 一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核测井技术领域，具体为一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统。该系统是利用快中子的运动方向和运动距离原理，通过探测到的α粒子返回时间tα及位置
Figure DDA0003472612170000011
伽马时间谱dt计算出快中子的运动方向和运动距离，以此确定出快中子非弹位置，实现地层的空间定位检测。通过对伽马探测器获取的瞬发伽马射线能谱实现地层含油饱和度的计算和地层各元素成分占比的分析。与现有技术相比，本发明的快中子能量达到14.1MeV且能够穿过套管水泥环后与地层中各种元素物质相互作用产生瞬发伽马射线能谱，且该能谱被探测到时受到俘获和本地谱的影响会更小，尤其适用于套后复杂地层环境，具有测量准确度高等优点。

Description

一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统
技术领域
本发明属于核测井技术领域，具体为一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统。
背景技术
测井的核心是确定测井信息与地质信息之间应用的关系，采用正确的方法得到地层中流体或岩石的位置及物理性质。随着经济发展对油气资源的需求量大幅上升，加之油气资源本身不具有再生性，这让油气资源的开采环境越来越复杂，使得测井的成本进一步提高。利用测井资料准确得到出油气存储位置、含油饱和度以及地层矿物成分等测井信息具有重要意义。
常规的测井信息获取方法主要有电法测量和核法测井两类。电法测量主要是电阻率测井，利用电阻率测井资料和Archie公式或其派生的一些公式来确定地层含油饱和度。但在实际工作中，储层的电阻率易受岩性等因素的影响，无法获得真实的井壁信息，在计算储层的含油饱和度时，容易造成解释失误。核法测井包括核磁共振测井、中子寿命测井以及碳氧比测井。核磁共振测井是通过对氢核核磁共振信号的观测，识别地层孔隙中的流体及其含量。一维核磁共振测井存在水油信号叠加的情况难以区分处理和解释，二维核磁共振测井技术还有待发展。中子寿命测井主要测量地层岩石的宏观俘获截面大小，但其大小受到地层水中氯离子含量的影响，若地层水矿化度较小，则无法区分水油，仅适用于中高矿化度地层水地区。碳氧比测井通过记录地层中碳、氧原子核与高能中子作用产生的非弹特征伽马射线来确定剩余油饱和度。该方法在固定时间门内采集非弹伽马能量分布，采集到的非弹伽马能谱会受到俘获和本底谱的影响。
中子成像测井属于核法测井，其原理与中子寿命测井相同，不同于中子寿命测井的是，中子成像测井可以直接探测含油饱和度等信息，受地层环境影响极小。现有的中子成像主要包含热中子成像和快中子成像，其中热中子成像主要是利用热中子衰减成像、俘获成像图，对含油饱和度进行定量解释，仅适用于地层矿化度范围约10～100g/L的地区。快中子成像技术投射能力强，与不同元素发生特定反应能产生具有特征能量的射线，常被用于检测违禁品和特殊核材料。常规的测井方法应用环境有限，在套后非常规类地层环境中均不能准确给出测井信息，现有的中子成像测井技术同样存在应用环境有限、且不适用于套后的测井地层环境的问题，因此迫切需要开发一种适用于在井中安装套管、浇筑水泥固井后的地层环境，也就是适用于套后测井技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，以解决现有中子成像测井技术无法适用于套后复杂地层环境的问题，具有测量准确度高等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，包括：脉冲中子发生器、α粒子探测器、伽马探测器、数据存储模块、终端数据分析模块以及图像重建模块；
所述脉冲中子发生器用于向待探测区域发射中子和α粒子；其内置有D-T可控脉冲中子源，利用D-T聚变反应产生快中子和α粒子；
所述α粒子探测器用于探测α粒子，根据探测到的α粒子返回的时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000021
计算快中子的运动方向和飞行时间；
所述伽马探测器用于探测快中子与地层中各种元素物质相互作用时产生的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt，该瞬发伽马射线能谱为0.01～0.1飞秒范围内的瞬发伽马射线能谱；
所述数据存储模块连接α粒子探测器和伽马探测器，用于存储α粒子探测器探测到的α粒子返回的时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000022
伽马探测器探测到的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt；
所述终端数据分析模块连接数据存储模块，用于从数据存储模块获取α粒子探测器探测到的α粒子返回的时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000023
伽马探测器探测到的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt，根据探测到的α粒子返回的时间ta、位置
Figure BDA0003472612150000024
以及瞬发伽马射线对应时间谱dt计算出快中子发生非弹散射的位置，根据瞬发伽马射线能谱计算出地层含油饱和度，根据瞬发伽马射线能谱分析得到地层各元素成分占比；
所述图像重建模块连接终端数据分析模块，用于根据中子发生非弹散射的位置、地层含油饱和度以及地层各元素成分占比完成地层中流体和矿物图像重建。
进一步的，所述终端数据分析模块中快中子发生非弹散射的位置的计算过程为：
步骤S1、由于α粒子、伽马和快中子在本领域中被认为具有固定的速度，假设快中子沿α粒子相反的方向行进，设vn为快中子飞行速度、c为伽马光子的速度，即可计算出快中子的飞行时间tn和伽马的飞行时间tg。而伽马探测器记录的时间为dt，根据时间的关系推出dt＝tn+tg-ta。然后以此建立光子飞行距离与快中子飞行距离的关系式：
Figure BDA0003472612150000025
其中，
Figure BDA0003472612150000026
为光子的飞行距离，
Figure BDA0003472612150000027
为快中子飞行距离；
步骤S2、因为仪器中中子产生的位置和伽马探测器位置固定，所以可用计算出向量
Figure BDA0003472612150000028
根据余弦定理可得到中子飞行距离和光子飞行距离的关系式
Figure BDA0003472612150000029
其中，夹角θ为向量
Figure BDA0003472612150000031
快中子飞行方向，也就是向量
Figure BDA0003472612150000032
之间的夹角。
步骤S3、对步骤S1得到的关系式和步骤S2得到的关系式联立求解，得到快中子飞行距离
Figure BDA0003472612150000033
由此得到快中子发生非弹散射的位置(x,y,z):
Figure BDA0003472612150000034
其中，(-x0,-y0,-z0)表示a粒子被探测到的位置。
进一步的，所述终端数据分析模块中地层含油饱和度的计算过程为：
步骤S1、通过伽马探测器获取的瞬发伽马射线能谱，对碳窗和氧窗进行划分计算出碳氧窗的计数比,得到不同孔隙度下的油线和水线；
步骤S2、根据步骤S1中得到的不同孔隙度下的油线和水线，画出反映碳氧比能谱测井响应基本特点的“扇形图”，“扇形图”的横坐标为孔隙度，纵坐标为碳氧比值；
步骤S3、根据步骤S2得到的扇形图得到孔隙度碳氧比值计算出地层含油饱和度So，在步骤S2得到的扇形图中，孔隙度为零是碳氧计数比两线的公共起点。
进一步的，所述终端数据分析模块中地层各元素成分占比是根据元素标准谱解谱得到地层各元素成分占比。
本发明提供的一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，通过脉冲中子发生器内置的D-T脉冲中子源发生D-T聚变反应同时产生α粒子和快中子，且产生的快中子能够穿过套管水泥环后与地层中各种元素物质相互作用产生瞬发伽马射线能谱，在α粒子和快中子到达待测区域时，利用快中子的运动方向和运动距离原理，通过α粒子探测器探测到的α粒子返回的时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000035
伽马探测器探测到的瞬发伽马射线对应的伽马时间谱dt计算得到快中子的运动方向和运动距离，确定出快中子非弹位置实现地层的空间定位检测。通过对伽马探测器获取的瞬发伽马射线能谱实现地层含油饱和度的计算和地层各元素成分占比分析。在本发明中，D-T脉冲中子源为可控中子源，该中子源在发生D-T聚变反应时产生的快中子具有更高的能量(能量达到14.1MeV)，因此能够在穿过套管水泥环后与地层中各种元素物质相互作用产生瞬发伽马射线能谱，这种瞬发伽马射线能谱在被探测到时受到俘获和本地谱的影响会更小，可以有效提升地层含量饱和度和地层各元素成分占比分析的精度。
与现有技术相比，本发明脉冲发生器内置的D-T脉冲中子源产生快中子对地层矿化度不灵敏，且能够在穿过套管水泥环后与地层中各种元素物质相互作用产生瞬发伽马射线能谱，适用于套后复杂地层环境。其次，得到的地层含量饱和度和地层各元素成分占比分析精度高，使得地层流体及矿物的层析图像精度也得到了提升。
附图说明
图1是本发明脉冲中子伴随α粒子成像原理图；
图2是本发明计算发生非弹散射反应的空间分布原理图；
图3是实施例含油饱和度计算示意图；
图4是实施例元素解谱示意图；
图5是实施例井下探测原理示意图；
图6是实施例井下成像示意图；
图7是本发明结构示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
本发明提供的一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，如图7所示，包括：脉冲中子发生器、α粒子探测器、伽马探测器、数据存储模块、终端数据分析模块以及图像重建模块。
所述脉冲中子发生器随着随着电缆匀速下放至待测区域，用于向待探测区域发射中子和α粒子,其内置有D-T脉冲中子源，该脉冲中子源为可控中子源。当其打开电源开关后，脉冲中子发生器内的D-T脉冲中子源在发生D-T聚变时能够产生子能量为14.1MeV的快中子和3.5MeV的α粒子。
所述α粒子探测器用于探测α粒子，根据探测到的α粒子返回的时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000041
计算快中子的运动方向和飞行时间。该探测器可选用硅二极管探测器、钇铝钙钛矿(YAP:Ce)无机闪烁体或氧化锌(ZnO:Ga)无机闪烁体，本实施例选用硅二极管探测器。
所述伽马探测器用于探测中子与地层中各种元素物质相互作用时产生的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt。伽马探测器可以选用锗酸铋(BGO)、溴化镧(LaBr3)或碘化钠(NaI)中的一种，本实施例选用的是锗酸铋(BGO)，用于探测的是0.01～0.1飞秒范围内的瞬发伽马射线和伽马时间谱。伽马探测器与α粒子探测器同时工作。
所述数据存储模块连接α粒子探测器和伽马探测器，用于存储α粒子探测器提供的α粒子返回的时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000042
，伽马探测器探测到的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt。
所述终端数据分析模块连接数据存储模块，用于从数据存储模块获取α粒子探测器探测到的α粒子返回的时间ta、及位置
Figure BDA0003472612150000043
伽马探测器探测到的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt；根据探测到的α粒子返回的时间ta、位置
Figure BDA0003472612150000044
以及瞬发伽马射线对应时间谱dt计算出快中子发生非弹散射的位置，根据瞬发伽马射线能谱计算出地层对应位置的含油饱和度，根据瞬发伽马射线能谱分析得到地层各元素成分占比。
所述图像重建模块连接终端数据分析模块，用于根据用于根据快中子发生非弹散射的位置、地层含油饱和度以及地层各元素成分占比完成地层中流体和矿物图像重建。
本实施例的基于脉冲中子伴随α粒子井下流体矿物成像系统，是利用快中子的运动方向和运动距离原理，通过在脉冲中子发生器内置的D-T脉冲中子源在发生D-T聚变反应时同时产生的α粒子和快中子与地层中各元素进行反应，通过α粒子探测器探测到的的返回的时间ta、位置
Figure BDA0003472612150000051
瞬发伽马射线对应的伽马时间谱dt计算得到快中子的运动方向和运动距离，确定出快中子非弹位置实现地层的空间定位检测。
从原理上讲，D-T脉冲中子源是通过带电粒子加速器，发射加速后的带电粒子轰击靶核，发生核反应释放中子的设备。其中靶核为氚靶(D)，离子源为氘核(T)，氘氚发生聚变反应的方程如式(1)所示，其中n为中子。相较其他中子源，D-T脉冲中子源的发射频率较高，且中子能量单色性更好。通过控制电源开关控制中子发射，是一种绿色可控的中子发生器。
Figure BDA0003472612150000052
由Q方程可知，发射中子的能量可由表达式(2)决定，表达式(2)为：
Figure BDA0003472612150000053
式(2)中，AB为余核质量数，Ed为入射氘能量，θ为中子出射角度，Q为核反应，Q＝17.6MeV；当入射角接近于0时，出射中子能量为14MeV，当Ed＝0.126MeV时，中子能量为14.1MeV。
此外，D-T脉冲中子源向地层发射一个中子的同时会伴随产生一个α粒子
Figure BDA0003472612150000054
探测到的伴随α粒子计数率nα对应的D-T中子的产额Yn可用方程式(3)描述：
Figure BDA0003472612150000055
式(3)中，Ω为探测器对靶所张立体角，RA为各向异性修正因子。其中RA的计算如式(4)所示：
Figure BDA0003472612150000056
式(4)中，Ed为入射氘能量，σn,α是D-T反应实验室系积分截面，
Figure BDA0003472612150000057
为氘粒子在氚靶中的阻止本领，
Figure BDA0003472612150000058
为对应实验室系的立体角转换因子，
Figure BDA0003472612150000059
是D-T反应对应与实验室系的质心系中的微分截面。
由此可见，本实施例的中子为14.1MeV的快中子，D-T反应在产生一个快中子的同时，会伴随产生一个α粒子。通过探测α粒子返回的位置
Figure BDA0003472612150000061
能够获得中子的飞行方向。
本实施例的D-T脉冲中子源发射的快中子能够穿过套管，待其到达至待测区域后，快中子会与地层中的各种元素物质发生弹性散射(n,n)，非弹散射(n,n’)，热中子俘获(n,γ)及中子活化等反应。其中在入射时间0.01～0.1飞秒范围内，发生的大部分反应为非弹散射，该反应会与原子核反应形成复合核，然后形成激发态原子核并释放出一个中子，激发态原子核退激到稳态并释放γ射线。原子核发生非弹散射并释放γ射线必须满足如下不等式：
Figure BDA0003472612150000062
其中En为入射中子能量，Eγ为原子核最低激发能量，mA和mn为原子核及入射中子的静止质量。
与快中子发生非弹散射的元素有氧、碳、硅、钙和铁等元素。不同的元素物质发生非弹散射的反应截面以及放出的特征伽马射线的能量各不相同。以16O和12C为例，16O的最低激发能级的能量Eγ为6.13MeV，激发产生非弹反应的中子能量应等于或大于6.51MeV；而对于12C，最低激发能级的能量Eγ为4.43MeV，中子能量应等于或大于4.8MeV。因此，可以利用这一特点结合探测到的α粒子返回时间ta及位置
Figure BDA0003472612150000063
计算中子发生非弹散射的空间位置、地层含有饱和度和矿物成分分析。
依照上述原理，本实施例分别对中子发生非弹散射的空间位置、底层含油饱和度以及地层各元素成分占比进行了计算。
一、结合图1和图2，详述中子发生非弹散射的空间位置计算过程：
如图1所示，α粒子探测器测得伴随入射地层快中子的α粒子飞行方向，已知产生的快中子和伴随α粒子在运动方向上近似于180度。根据动力学可知，出射快中子与伴随α粒子在出射角上一一对应，二者飞行速度相等，由此确定出中子的飞行方向。再测定快中子发生非弹产生的伽马射线随时间变化的关系，并由中子的飞行速度，计算出中子的飞行距离，通过快中子发生非弹产生的伽马射线随时间变化的关系结合中子的飞行距离，即可得到待测地层含油饱和度的空间分布。如图2所示，根据α粒子探测器上的位置(x0,y0,z0)，通过向量代数计算图中非弹散射的位置(x,y,z)。已知种子点源距α粒子探测器的位置，我们可以计算出α粒子的方向和速度向量
Figure BDA0003472612150000064
假设中子沿α粒子相反的方向行进，α粒子、γ和中子被认为具有固定的速度，根据测到的α粒子和伽马粒子到达的时间，求解二次方程来计算发生非弹散射的位置。
详细推导如下所示，已知伴随α粒子被探测器探测到的位置为(x0,y0,z0)，被探测α粒子返回的时间记为ta，D-T反应产生中子的位置为(0,0,0)，距离α粒子探测器位置y0，伽马探测器的中心位于(x1,y1,z1)处，则伽马探测器探测到得瞬发伽马射线对应时间谱可记为dt，单位向量
Figure BDA0003472612150000071
定义如下：
Figure BDA0003472612150000072
Figure BDA0003472612150000073
由此待计算的发生非弹散射的位置向量
Figure BDA0003472612150000074
由单位向量表达式(8)所示：
Figure BDA0003472612150000075
已知伴随α粒子、中子、伽马的速度，以及记录的时间(dt)，根据式(9)、(10)和(11)计算向量
Figure BDA0003472612150000076
dt＝tn+tg-ta                      (9)
Figure BDA0003472612150000077
Figure BDA0003472612150000078
式(9)、(10)和(11)中，tn为中子飞行时间，tg为伽马飞行时间，ta为α粒子的飞行时间。其中vn为中子飞行速度，c为伽马光子的速度；因为dt和ta可通过伽马和α粒子探测器得到，所以式中令t＝dt+ta，由于在实施中，伽马探测器位置固定，，所以能够计算出向量
Figure BDA0003472612150000079
根据余弦定理可得到等式(12)：
Figure BDA00034726121500000710
其中夹角θ，可通过向量
Figure BDA00034726121500000711
和
Figure BDA00034726121500000712
得到；
Figure BDA00034726121500000713
Figure BDA00034726121500000714
Figure BDA00034726121500000715
根据式(13)、(14)和(15)求得中子飞行距离
Figure BDA00034726121500000716
Figure BDA00034726121500000717
由式子
Figure BDA0003472612150000081
计算出中子发生非弹散射的位置向量
Figure BDA0003472612150000086
Figure BDA0003472612150000082
在式(17)中，已知中子、伽马、α粒子飞行速度，根据α粒子探测器得到α粒子的空间和时间信息，伽马探测器的位置和探测得到的伽马时间信息。可以求得中子发生非弹散射的空间位置
Figure BDA0003472612150000083
二、对地层含油饱和度的计算
在地层中非弹散射伽马计数的贡献主要来自于地层中的原油(CnHn)、水(H2O)、石英(SiO2)和方解石(CaCO3)以及泥质中的矿物等。根据探测器收集到的非弹散射伽马射线能谱，可通过碳氧比能窗计数，获得碳氧元素的产额，进而分析地层的流体类型。地层中的碳元素来自于油气，储层中的钙质胶结和灰岩中的碳酸钙以及泥质中的有机质，去除岩性影响的碳可以反映地层中的油气信息。因为油中含碳不含氧，水中含氧不含碳，所以根据碳氧比值可获得地层含油饱和度。使用比值可以反映油水信息的同时，还能消除中子产额不稳定造成的波动。
假设原油密度为0.87g/cm3，分子式为CnHn，可得每立方厘米原油中碳原子的数目为3.74×1022原子/cm3。而每立方水中的氧原子数目为3.35×1022原子/cm3。假设地层为纯砂岩，则岩石骨架中不含碳，而每立方氧原子数目为5.32×1022原子/cm3，孔隙度为φ，含油饱和度为So。则每立方厘米岩石的碳原子数和氧原子数量如式(18)、(19)所示：
nc＝3.74φSo×1022原子/cm3                       (18)
no＝[3.35φ(1-So)+5.32(1-φ)]×1022原子/cm3        (19)
根据式(18)、(19)可得碳氧原子数比为：
Figure BDA0003472612150000084
由此给定岩性与孔隙度，碳氧原子数比与含油饱和度有单值关系。同理也可根据碳氧元素产额得到产额比。在均匀介质中，碳和氧元素非弹散射伽马射线的产额Yc和Yo分别如式(21)和式(22)所示
Figure BDA0003472612150000085
Figure BDA0003472612150000091
式(21)和式(22)中，nc和no分别为碳和氧的原子数，σc和σo分别为碳和氧元素与快中子非弹散射反映截面，aic和aio为碳和氧元素对ith道址计数率的响应系数，系数Ac和Ao分别反映了碳氧两种元素的核反应截面、伽马射线衰减及计数效率的比值。
根据式(21)、(22)可得碳氧元素产额比FC/O：
Figure BDA0003472612150000092
但在实际情况下碳氧原子比、碳氧产额比并不能直接测定，而碳窗和氧窗计数及其比值可以直接测量和计算，同样可以反映地层含油饱和度。所以可通过计算碳氧窗计数比，画出反映碳氧比能谱测井响应基本特点的“扇形图”来计算含油饱和度。图3是含油饱和度计算示意图，图3中横坐标为孔隙度，纵坐标是碳氧比，包含油线和水线。其中油线代表含有饱和度为100％的扇形边界线，水线则代表含油饱和度为0％的扇形边界线；孔隙度为零是碳氧比两线的公共起点。参阅图3可知，根据式(24)即可计算出地层含油饱和度。
Figure BDA0003472612150000093
式(24)中So和Sw分别指代含油和含水饱和度，Δ为指定孔隙度两线之间的比值差，x是测量点到水线的距离，则含油饱和度计算如下所示。
三、对地层各元素成分占比分析
地层由石英(SiO2)和方解石(CaCO3)以及泥质中的矿物等组成，根据元素标准谱对非弹散射伽马能谱解谱获取地层各元素的占比，能够实现对地层岩性的分析。具体为：
(1)通过伽马探测器获得整个地层所有元素混合后放出的伽马混合能谱、获取元素标准非弹散射伽马能谱；利用解谱算法求解出混合能谱的叠加系数，该叠加系数又被称为相对产额。图4是元素解谱示意图；结合图4对解谱过程进行详述：
在体积V内，元素j单位时间释放的γ射线为：
Figure BDA0003472612150000094
其中：
Figure BDA0003472612150000095
为地层有效中子通量，σj为元素j的微观中子截面，Nj为原子密度，
Figure BDA0003472612150000096
为有效平均体积；而对于原子密度，有：
Figure BDA0003472612150000097
其中：wj为该元素质量，Aj为其原子量，w、ρ分别为地层参数；
若令元素j的质量分数
Figure BDA0003472612150000098
则该元素释放的伽马为：
Figure BDA0003472612150000101
而探测器实际计数还与伽马传输与探测效率(Mj)及探测器有效立体角份额有关(Ωj)，则元素j对应的探测器计数为：
Figure BDA0003472612150000102
若各元素计数之和为CRt，则第j种元素的相对产额为：
Figure BDA0003472612150000103
解析出各个元素的相对产额后，可算出灵敏度因子S和地层因子F，如下公式所示。
Figure BDA0003472612150000104
Figure BDA0003472612150000105
由此可以计算地层中各元素的质量分数，如下所示。
Figure BDA0003472612150000106
其中Sj为元素j的灵敏度因子，由各元素性质决定，F为地层归一化因子，由地层决定。而在已知这两个参数的情况下，就可以将元素j的相对产额转化为其在地层中的质量分数。由此可以求解各个元素在地层中的质量百分含量。
在获得中子非弹散射空间位置、地层含有饱和度及对地层各元素成分占比分析后，根据分析结果由图像重建模块进行矿物成分成像。
如图5所示，将伽马时间谱与伴随α粒子的位置和时间信息根据公式16-17联立求解得到中子发生瞬发非弹散射的位置
Figure BDA0003472612150000107
由此得到中子与原子核发生非弹散射的空间位置。根据伽马非弹能谱，由公式(24)推出对应位置(x,y,z)的含油饱和度So。根据非弹伽马能谱的特征峰信息由公式(32)可得地层中各元素的质量分数wtj。由此根据非弹散射发生的位置(x,y,z)，并结合以上两个信息，还原地层流体和矿物层析图像，重建后的图像如6所示。从图6可以看出，采用本实施例得到的成像图精确度高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，包括：脉冲中子发生器、α粒子探测器、伽马探测器、数据存储模块、终端数据分析模块以及图像重建模块，其特征在于：
所述脉冲中子发生器用于向待探测区域发射中子和α粒子；其内置有D-T可控脉冲中子源，利用D-T聚变反应产生快中子和α粒子；
所述α粒子探测器用于探测α粒子，根据探测到的α粒子返回的时间ta及位置计算快中子的运动方向和飞行时间；
所述伽马探测器用于探测中子与地层中各种元素物质相互作用时产生的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt，该瞬发伽马射线能谱为0.01～0.1飞秒范围内的瞬发伽马射线能谱；
所述数据存储模块连接α粒子探测器和伽马探测器，用于存储α粒子探测器探测到的α粒子返回的时间ta及位置伽马探测器探测到的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt；
所述终端数据分析模块连接数据存储模块，用于从数据存储模块获取α粒子探测器探测到的α粒子返回的时间ta及位置伽马探测器探测到的瞬发伽马射线能谱及其对应时间谱dt，根据探测到的α粒子返回的时间ta、位置以及瞬发伽马射线对应时间谱dt计算出快中子发生非弹散射的位置，根据瞬发伽马射线能谱计算出地层含油饱和度，根据瞬发伽马射线能谱分析得到地层各元素成分占比；
所述图像重建模块连接终端数据分析模块，用于根据快中子发生非弹散射的位置、地层含油饱和度以及地层各元素成分占比完成地层中流体和矿物图像重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，其特征在于：所述终端数据分析模块中快中子发生非弹散射的位置的计算过程为：
步骤S1、由于α粒子、伽马和快中子被认为具有固定的速度，假设快中子沿α粒子相反的方向行进，设vn为快中子飞行速度、c为伽马光子的速度，即可计算出快中子的飞行时间tn和伽马的飞行时间tg，而伽马探测器记录的时间为dt，根据时间的关系推出dt＝tn+tg-ta，然后以此建立光子飞行距离与快中子飞行距离的关系式：
其中，为光子的飞行距离，为快中子飞行距离；
步骤S2、仪器中快中子产生的位置和伽马探测器位置固定，可用计算出向量根据余弦定理可得到中子飞行距离和光子飞行距离的关系式
其中，夹角θ为向量中子飞行方向，也就是向量之间的夹角；
步骤S3、对步骤S1得到的关系式和步骤S2得到的关系式联立求解，得到快中子飞行距离再根据该快中子飞行距离计算出块中子发生非弹散射的位置
其中，(-x0,-y0,-z0)表示a粒子被探测到的位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，其特征在于：所述终端数据分析模块中地层含油饱和度的计算过程为：
步骤S1、通过伽马探测器获取的瞬发伽马射线能谱，对碳窗和氧窗进行划分计算出碳氧窗的计数比FC/O,得到不同孔隙度下的油线和水线；
步骤S2、根据步骤S1中得到的不同孔隙度下的油线和水线，画出反映碳氧比能谱测井响应基本特点的“扇形图”，“扇形图”的横坐标为孔隙度，纵坐标为碳氧比值；
步骤S3、根据步骤S2得到的扇形图得到孔隙度碳氧比值计算出地层含油饱和度So，在步骤S2得到的扇形图中，孔隙度为零是碳氧计数比两线的公共起点。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲中子的伴随α粒子井下成像系统，其特征在于：所述终端数据分析模块中地层各元素成分占比是根据元素标准谱解谱得到地层各元素成分占比。
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