专利名称：基于可控中子源的随钻多参数测井方法
技术领域：
本发明涉及随钻测井系统技术领域，尤其涉及一种基于可控中子源的随钻多参数测井方法。
背景技术：
近年来，随着大斜度井和水平井不断增加，随钻测井技术发展迅速。在随钻测井过程中，地层刚被钻开，此时地层基本上未受泥浆侵入或者侵入较浅，测量结果能更真实的反映地层参数。若随钻过程中能同时测量多个地层参数，则利用测井资料准确进行地层评价， 降低测井解释的多解性。
可控中子源在随钻测井中发挥着越来越重要的作用，其发射中子的高能量和高产额特性有利于增加测井信息以及提高测井探测深度，另外利用可控中子源可以避免对工作人员和环境都存在潜在�：Γ螲SE管理要求。可控中子源发射的快中子进入地层后，与地层元素原子核发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获和活化等核反应，利用不同的核反应可以测量不同地层物理参数。目前，可控中子源在测井中应用可实现四种地层参数测量 (1)地层密度测量，快中子进入地层后与地层元素发生非弹性散射和俘获反应，同时放出相应的非弹和俘获伽马射线，伽马射线在地层中的分布与地层含氢指数和密度有关，可以利用不同源距处的伽马射线计数来确定地层密度；( 地层孔隙度测量，在距离中子源不同距离处放两个热中子探测器，两个探测器计数率比值主要反映地层中含氢量，而氢通�：诘夭懔魈逯校院饬坑氲夭憧紫抖扔泄兀荽思扑愠龅夭憧紫抖龋籆3)地层流体饱和度测量，中子进入地层后发生一系列反应，利用伽马或热中子探测器探测器记录伽马能谱或者热中子时间谱，利用非弹伽马能谱中C窗计数和0窗计数的比值可反映地层含油饱和度，利用从热中子时间谱中得出的地层宏观俘获截面可以反映地层含水饱和度；(4)地层元素含量测量，利用中子与地层元素原子核发生作用放出的非弹性散射和俘获伽马能谱， 以实验标准谱为基础，利用谱分析技术得到地层元素含量，并利用氧化物闭合模型和聚类因子分析等方法确定地层矿物类型及含量。但是，目前可控中子源的随钻测井仪器中仅限于补偿中子孔隙度测量，测量参数单一，不能充分利用可控中子源发射出的快中子与地层相互作用的核反应，在地层刚被钻开时获取尽可能多的地层参数测量；即使利用多种仪器简单组合也能实现多参数测量，但测量时间及位置不同，测量结果不具可比性。发明内容
本发明的目的是设计一种基于可控中子源的随钻多参数测井方法，充分利用可控中子源发射的快中子进入地层后与地层元素原子核发生核反应，在随钻过程中利用一支仪器一次下井进行多个地层参数测量，实现随钻测井多参数测量以及对同一参数多种方式测量，降低测井解释多解性，提高测井结果可信度。
本发明的技术方案为一种基于可控中子源的随钻多参数测井方法，采用可控中子源和多探测器系统，利用脉冲和测量时序设计，记录不同位置处的伽马能谱和伽马时间谱及热中子时间谱，通过谱解析和数据处理方法，在随钻过程中同时测量地层密度、孔隙度、流体饱和度以及元素含量，实现随钻地层综合评价。
优选的是，所述可控中子源采用D-T脉冲中子源，脉冲宽度为40 μ S。
优选的是，所述多探测器系统包括2个热中子探测器和2个伽马探测器；所述热中子探测器利用He-3计数管，所述2个热中子探测器距离可控中子源的距离分别为20 30cm和55 65cm，近热中子探测器长度为5cm，远热中子探测器长度为IOcm ；所述伽马探测器利用NaI探测器，所述2个伽马探测器距离所述可控中子源的距离分别为40 50cm 和75 85cm，近伽马探测器长度为5cm，远伽马探测器长度为10cm。
优选的是，所述脉冲测量时序设计中一个大周期为100ms，包含Tl和T2两个时间段；第一个时间段Tl时长98ms，包含98个短周期STl，每个短周期STl包含三个时间门Gl、 G2和G3 ；所述第一个时间门Gl为0 40 μ s，为所述可控中子源脉冲发射快中子时间以及所述伽马探测器记录非弹性散射伽马能谱时间门，所述非弹性散射能谱记录256道；所述第二个时间门G2为50 ΙΟΟΟμ s，为所述伽马探测器记录俘获伽马能谱时间谱门，所述俘获伽马能谱记录256道；所述第三个时间门G3为0 1000 μ s,为所述近伽马和远热中子探测器记录伽马和热中子时间谱时间门，所述时间谱记录100道；所述第二个时间段T2时长2000 μ s，为时间门G498000 100000 μ s，为所述伽马探测器记录本底自然伽马能谱时间门，所述本底自然伽马能谱记录256道。
所述地层密度测量通过利用所述谱解析方法从所述记录的非弹性散射伽马能谱中获得所述近伽马探测器和所述远伽马探测器的非弹性散射伽马总计数比值，并且利用所述谱解析方法从所述记录的俘获伽马能谱中获得所述近伽马探测器和所述远伽马探测器的俘获伽马总计数比值对含氢指数进行校正实现。
所述地层孔隙度测量可实现所述的同一参数多种方式测量，可通过三种方式实现(1)利用所述谱解析方法从所述记录的热中子时间谱中获得所述近热中子探测器和所述远热中子探测器的热中子总计数比值；( 利用所述谱解析方法从所述记录的俘获伽马能谱中获得所述近伽马探测器和所述远伽马探测器的俘获伽马总计数比值；C3)利用上面所述的地层密度测量结果，结合岩石骨架密度和地层流体密度获得地层孔隙度。
所述地层流体饱和度可实现所述的同一参数多种方式测量，可通过三种方式实现(1)利用所述谱解析方法从所述记录的非弹性散射伽马能谱中获得所述伽马探测器C 窗非弹性散射伽马计数与0窗非弹性散射伽马计数比值(C/0)，利用所述C/0值可以确定地层含油饱和度；( 利用所述谱解析方法从所述记录的伽马时间谱中获取地层宏观俘获截面，利用地层宏观俘获截面可以确定地层含水饱和度；C3)利用所述谱解析方法从所述记录的热中子时间谱中获取地层宏观俘获截面，利用地层宏观俘获截面可以确定地层含水饱和度。
所述地层元素含量测量利用所述记录的非弹性散射和俘获伽马能谱，以实际测量实验标准谱为基�。盟銎状砗推追治黾际醯玫降夭阍睾浚⒗醚趸锉蘸夏Ｐ秃途劾嘁蜃臃治龅确椒ㄈ范ǖ夭憧笪锢嘈图昂渴迪�。
所述随钻过程中多参数测量是在随钻过程中利用所述可控中子源和多探测器测量系统，并采用所述的特殊脉冲和测量时序设计，利用一支测井仪器同时实现上面所述地层密度测量、地层孔隙度测量、地层流体饱和度测量以及地层元素含量测量。4
所述对同一参数进行重复测量是对所述地层孔隙度测量和所述地层流体饱和度测量利用不同的方法实现，并且对比利用不同方法得出的测量结果，提高测量结果精度和可信度。
本发明的有益效果为本发明可以利用一支仪器同时测量地层密度、地层孔隙度、 地层流体饱和度以及地层元素含量，使测井仪器长度降低、结构简单，可实现多参数测量， 且对同一参数进行多种方式测量，降低测井解释的多解性，提高测井结果精度和可信度，更好用于随钻地层评价。
图1为本发明测量时仪器探测器相对位置及结构剖面示意图，图中1为钻铤，2为可控中子源，3为主屏蔽体，4为副屏蔽体，5为近热中子探测器，6为远热中子探测器，7为近伽马探测器，8为远伽马探测器，9为电子线路部分；
图2为脉冲和测量时序设计示意图
图3蒙特卡罗计算模型示意图，建立模型的条件为井眼直径为20cm，井眼内充满淡水；地层尺寸为300CmX300CmX300Cm，把整个地层划分442个栅元，地层分别填充不同岩性和流体物质；仪器直径为85mm，置于钻铤内；钻铤直径为17. 145cm，钻铤上偏心开两个泥浆导流通道、直径都为3. 536cm，且泥浆导流通道内充满淡水；中子源采用D-T脉冲中子源，脉冲宽度为20 μ s，位于距仪器下端25cm处；仪器采用2个热中子探测器和2个伽马探测器；
图4为含氢指数相同时非弹和俘获伽马计数比值与地层密度变化关系，计算条件为地层为砂岩，孔隙中饱含天然气和水，天然气密度为0. lg/cm3，改变地层含气饱和度从0 到100%、间隔为10%，调整地层孔隙度使地层含氢指数保持0.2不变，分别记录近伽马探测器7和远伽马探测器8的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱；
图5为地层密度相同时非弹和俘获伽马计数比值与含氢指数变化关系，计算条件为地层为砂岩，孔隙中饱含天然气和水，天然气密度为0. lg/cm3，改变地层含气饱和度从0 到100%、间隔为10%，调整地层孔隙度使地层密度保持1. 99g/cm3不变，分别记录近伽马探测器7和远伽马探测器8的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱；
图6为非弹伽马计数比值与地层密度关系，计算条件为地层为砂岩，孔隙中饱含水，改变地层孔隙度为 20%,22. 86%,30. 32%,35. 31 %,41. 56%,49. 62%,60. 41 75. 60%和98. 57%，分别记录近伽马探测器7和远伽马探测器8的非弹性散射伽马能谱；
图7为非弹伽马计数比确定地层密度含氢指数校正前后对比图8为不同岩性地层热中子计数比值随孔隙度变化曲线，计算条件为地层岩性分别为砂岩和石灰岩，孔隙饱含淡水，改变地层孔隙度从0到40%、间隔5%，分别记录近热中子探测器5和远热中子探测器6的热中子时间谱；
图9为不同岩性地层俘获伽马总计数比值随孔隙度变化曲线，计算条件为地层岩性分别为砂岩和石灰岩，孔隙饱含淡水，改变地层孔隙度从0到40%、间隔5%，分别记录近伽马探测器7和远伽马探测器8的俘获伽马能谱；
图10为C/0与含油饱和度的关系曲线，计算条件为井眼直径为20cm、充满淡水， 地层为砂岩或石灰岩，地层孔隙度为30%，孔隙中含淡水和油，改变地层含油饱和度为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 和 100 %，记录伽马探测器非弹性散射伽马能谱；
图11为地层宏观俘获截面与含水饱和度关系曲线，计算条件为井眼直径为 20cm、充满淡水，地层为砂岩或石灰岩，地层孔隙度为30%，孔隙中含3%矿化水和油，改变地层含水饱和度为 0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和 100%，记录热中子探测器的热中子时间谱；
图12为地层常见元素标准俘获伽马能谱，计算条件为井眼直径为20cm，井眼充满淡水，地层填充分别填充Si02、CaCO3> A1203、TiO2, K2O, Fe2O3和CuS，分别记录近伽马探测器7和远伽马探测器8的俘获伽马能谱；
图13为模拟已知地层俘获伽马能谱图，计算条件为运用蒙特卡罗模拟矿物成分已知孔隙度为20%饱含水的地层，地层骨架由Si02、CaC03> TiO2, Fe2O3组成，体积百分比为 40%,20%,20%,20%,记录伽马探测器的俘获伽马能谱。
具体实施方式
下面结合
本发明的
具体实施例方式
一种基于可控中子源的随钻多参数测井方法，是采用可控中子源以及多探测器测量系统，并利用特殊的脉冲和测量时序设计，充分利用可控中子源发射的快中子进入地层以后与地层元素原子核发生的核反应，利用伽马探测器和热中子探测器记录不同位置处的伽马能谱和伽马时间谱及热中子时间谱，通过不同的谱解析方法和不同数据处理方法，实现在随钻过程中利用一支仪器可同时测量地层密度、地层孔隙度、地层流体饱和度以及地层元素含量，并可对地层孔隙度以及地层流体饱和度实现同一参数多种方式测量。
下面将结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明测量时仪器探测器相对位置及结构剖面示意图，如图1所示，随钻过程中测井仪器安装在钻铤上，其中，可控中子源1采用D-T脉冲中子源，其发射中子的高能量和高产额特性有利于增加测井测量参数以及提高测井探测深度，另外利用可控中子源可以避免对工作人员和环境都存在潜在�：Γ唤戎凶犹讲馄�5和远热中子探测器6都采用 He-3计数管，距离可控中子源1的距离分别为20 30cm和55 65cm，长度分别为5cm和 IOcm ；近热中子探测器7和远热中子探测器8都采用NaI探测器，距离可控中子源1的距离分别为40 50cm和75 85cm，长度分别为5cm和IOcm ；主屏蔽体长度为10cm，副屏蔽体长度为5cm。
所述的特殊脉冲和测量时序设计示意图如图2所示，一个大周期为100ms，共包含两个时间段(Tl和T2)；所述第一个时间段Tl时长98ms，包含98个短周期ST1，每个短周期STl包含三个时间门(G1、G2和G3)；所述第一个时间门Gl为0 40 μ s，为所述D-T脉冲中子源脉冲发射快中子时间以及所述伽马探测器记录非弹性散射伽马能谱时间门，所述非弹性散射能谱记录256道；所述第二个时间门G2为50 1000 μ s，为所述伽马探测器记录俘获伽马能谱时间谱门，所述俘获伽马能谱记录256道；所述第三个时间门G3为0 1000 μ s，为所述近伽马和远热中子探测器记录伽马和热中子时间谱时间门，所述时间谱记录100道；所述第二个时间段Τ2时长2000 μ s，为时间门G4 (98000 100000 μ s)，为所述伽马探测器记录本底自然伽马能谱时间门，所述本底自然伽马能谱记录256道。
利用蒙特卡罗方法根据图1仪器结构和图2特殊脉冲和测量时序设计建立随钻条件下计算模型，模型示意图如图3所示。利用数值模拟方法说明所述实现地层密度测量、地层孔隙度测量、地层流体饱和度测量以及地层元素含量测量的多参数测量以及同一参数多种方式测量。
1.地层密度测量
利用图3所示的计算模型，改变计算条件，地层含氢指数相同时根据所述伽马探测器记录的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，利用谱解析方法得出所述近伽马探测器 7和远伽马探测器8的非弹性散射伽马计数比值和俘获伽马计数比值与地层密度变化曲线如图4所示；地层含密度相同时根据所述伽马探测器记录的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，利用谱解析方法得出所述近伽马探测器7和远伽马探测器8的非弹性散射伽马计数比值和俘获伽马计数比值与地层含氢指数变化曲线如图5所示。由图4和图5可以看出， 地层密度不同时引起非弹伽马射线计数比值要比俘获伽马计数比值要大，即利用俘获伽马计数确定地层密度不如非弹伽马射线灵敏，因此选用非弹伽马计数比值确定密度；含氢指数不同时引起俘获伽马射线计数比值明显比非弹伽马计数比值大，因此选用俘获伽马射线对含氢指数校正。
同样利用图3所示计算模型，改变计算条件，根据所述伽马探测器记录的非弹性散射伽马能谱，利用谱解析方法得出所述近伽马探测器7和远伽马探测器8的非弹性散射伽马计数比值与地层密度变化曲线如图6所示。由图6可以看出，含氢指数不同时会对利用非弹伽马计数比值确定地层密度造成影响，且含氢指数越大影响越大，利用非弹伽马计数比值确定地层密度时需要对含氢指数校正才能得到较为准确的地层密度。
由图6中含氢指数相同(HI = 0. 2)地层密度与非弹伽马计数比值的关系，拟合得到含氢指数校正后地层密度与非弹伽马计数比值关系为
权利要求
1.一种基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，采用可控中子源和多探测器系统，利用脉冲和测量时序设计，记录不同位置处的伽马能谱和伽马时间谱及热中子时间谱，通过谱解析和数据处理方法，在随钻过程中同时测量地层密度、孔隙度、流体饱和度以及元素含量，实现随钻地层综合评价。
2.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述可控中子源采用D-T脉冲中子源，脉冲宽度为40 μ S。
3.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述多探测器系统包括2个热中子探测器和2个伽马探测器；所述热中子探测器利用He-3计数管，所述2个热中子探测器距离可控中子源的距离分别为20 30cm和55 65cm，近热中子探测器长度为5cm，远热中子探测器长度为IOcm ；所述伽马探测器利用NaI探测器，所述 2个伽马探测器距离所述可控中子源的距离分别为40 50cm和75 85cm，近伽马探测器长度为5cm，远伽马探测器长度为10cm。
4.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述脉冲测量时序设计中一个大周期为100ms，包含Tl和T2两个时间段；第一个时间段Tl时长98ms，包含98个短周期ST1，每个短周期STl包含三个时间门Gl、G2和G3 ；所述第一个时间门Gl为0 40 μ s，为所述可控中子源脉冲发射快中子时间以及所述伽马探测器记录非弹性散射伽马能谱时间门，所述非弹性散射能谱记录256道；所述第二个时间门G2为 50 ΙΟΟΟμ s，为所述伽马探测器记录俘获伽马能谱时间谱门，所述俘获伽马能谱记录256 道；所述第三个时间门G3为0 ΙΟΟΟμ s，为所述近伽马和远热中子探测器记录伽马和热中子时间谱时间门，所述时间谱记录100道；所述第二个时间段Τ2时长2000 μ s，为时间门 G498000 100000μ s，为所述伽马探测器记录本底自然伽马能谱时间门，所述本底自然伽马能谱记录256道。
5.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述地层密度测量是利用近伽马探测器和远伽马探测器记录的非弹性散射伽马计数和俘获伽马计数。
6.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述地层孔隙度测量可通过利用热中子计数、俘获伽马计数以及所述地层密度测量结果三种方式实现。
7.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述地层流体饱和度测量可通过利用伽马探测器记录的非弹性散射伽马能谱、伽马探测器记录的俘获伽马时间谱以及热中子探测器记录的热中子时间谱三种方式实现。
8.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，所述地层元素含量测量是利用伽马探测器记录的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱。
9.根据权利要求1所述的基于可控中子源的随钻多参数测井方法，其特征在于，可对地层孔隙度和地层流体饱和度实现同一参数多种方式测量。
全文摘要
本发明涉及一种基于可控中子源的随钻多参数测井方法。所述测井方法利用D-T可控中子源以及2个热中子和2个伽马探测器的多探测器测量系统，采用特殊的脉冲和测量时序设计，充分利用可控中子源发射的快中子与地层元素原子核发生作用，同时记录不同位置处的伽马能谱和伽马时间谱及热中子时间谱，通过不同的谱解析和数据处理方法，实现在随钻过程中利用一支核测井仪器可以进行地层密度、孔隙度、流体饱和度以及元素含量等多参数同时测量，实现随钻地层岩性、孔隙度和流体饱和度评价，可对地层孔隙度及流体饱和度实现同一参数多种方法测量，降低测井解释多解性，提高测井资料解释的精确度和可信度。
文档编号G01V5/10GK102518431SQ20111043908
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘军涛, 张锋, 袁超 申请人:中国石油大学(华东)
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