脉冲中子孔隙度测井

课程报告课程名称：核物理基础专业班级：测井（基）11201学生姓名：张立胜李硕学号：201200873201200810成绩：长江大学第2页《脉冲中子孔隙度测井》翻译人：44张立胜18李硕测井（基）11201翻译序号：14W.R.Mills,D.C.Stromswold,L.S.Allen达拉斯,德克萨斯美孚研发公司文摘脉冲中子孔隙度(PNP)测井是一种通过测定超热中子发射脉冲中子随时间的衰减来确定地层孔隙度的新方法。脉冲中子技术相比于稳态中子孔隙度测井可以提供很好的孔隙度灵敏度和减少岩性依赖。一个PNP型模本测井仪已经被制造和测试。这套仪器包含一个脉冲控制14-MeV中子生产的中子管,一个超热中子探测器(3He覆盖着Gd箔),和一个关于生产中子探测脉冲，探测超热中子的时间分析器。超热中子形成于脉冲生产中,然后以一个随地层孔隙度变化的速率衰减。其孔隙度灵敏度优于现有的声波、密度、补偿中子技术。现场测试的一些油井展示了优秀的可重复性。相比于中子补偿和井壁超热中子测井显示了类似的测井特点,但在一些区域有差异,显示了很好的岩心孔隙度，显然是减少和降低页岩岩性依赖反应有关。引言使用核技术的孔隙度测井巳开展多年。早期的井下仪包括密封的长江大学第3页中子源及单个伽马和热中子探测器。由这些仪器测定孔隙度常常很不理想，因为除地层的孔隙度之外，还有许多变量影响测量。井壁中子孔隙度仪(Tittman等.1966)使这些问题得以减少，它是将源和探测器固定在与井壁接触的压紧装置上，测定超热中子。但低计数率和无法统计规律的揉皱孔隙仍是一个的问题,然而，（Allen等，1967)建议使用两种热中子探测器在不同间距从源头补偿钻孔扰动。这种中子补偿系统(Alger等.,1971)在今天仍被广泛使用。这套系统有两个热中子探测器或者两个超热中子探测器(Davis等,1981)。最近,使用中子产生加速器连续输出模式系统已经被开发出来(Gartner,Schnoor,和Sinclair,1986)。更换胶囊放射源中子发生器的系统因为放射源可以关闭而使操作更加安全,以及当它开启时的更强烈的中子通量。本文介绍一种新型的中子孔隙度仪。它带有一个脉冲中子发生器，探测超热中子随时间的衰减。这种脉冲中子孔隙度(PNP)仪是基于以下原理工作:超热中子总数(Mills,1978)的衰减率主要是中子与氢的相互作用，且很少依赖于地层的岩性。PNP法的随时间而变化的测量较之稳态法减小了岩性效应，提高了固有孔隙的灵敏度。尤其，PNP法优于岩性效应较小的井壁中子孔隙度法，并能由观测的超热中子衰减获得偏距校正。脉冲中子俘获(PNC)也使用中子脉冲。但不应将PNP测井方法与PNC混为一谈。PNP是孔隙度测量，它探测超热中子，且使用较快的脉冲率。另一方面，PNP主要确定孔隙度的生成、水饱和和流体的盐度。PNC测量由热中子俘获(主要在氯中)产生的γ射线，长江大学第4页且脉冲率低。图1是PNP测量结果的时间变化，为其中子的脉冲/中子生成脉冲测定的超热中子响应在中子生成脉冲之后，超热中子寿命取决于孔隙度和探测的超热中子的衰减。高能量中子的脉冲由井下仪发射。中子主要通过与地层中氢的作用被慢化到较低的能量。返回到井下仪中探测的超热中子相对于中子脉冲作为时间的函数被记录下来。测量的超热中子响应随地层的孔隙度相应变化。低孔隙度的地层产生的超热中子衰减慢于高孔隙度的地层。当在井下仪附近只有水存在(100%的孔隙度)时，衰减最快。理论已经证明,在与空间无关的情况下,超热中子通量具有以下渐近形式(Mills,Allen,andStromswold,1988):式中:Φ(v,t)为依赖于中子速度v和时间t的超热中子通量Q为从源的脉冲中发射的中子数，β,γ为中子物质常数，它们是存在的元素类型和含量所特有的;Γ(2/γ)为伽马函数。长江大学第5页反应截面为Σｒ(v)的非扰动中子探测器的超热中子响应为:探测器主要探测超热中子时,对热中子的灵敏度就低。假定被饱和的是寿命长得多的热中子数,可将热中子响应写为:式中.Vth:为热中子的速度(2200m/s),Σa为介质的宏观热中子吸收截面,T为中子脉冲Φm(v)为热中子的归一化麦克斯韦通量谱。观测的探测器响应将是Repi(t)和Rth(t)之和。脉冲一稳态中子技术与时间有关的PNP技术和稳态技术(例如补偿中子)在被测定的地层的基本中子性质方面不同。事实上,稳态法测定均方慢化距离,而PNP法测定平均慢化时间。慢化时间提供的是灵敏度更高的孔隙度测量。根据等对数能量损失间隔的中子慢化过程的离散模型,已对稳态和随时间变化的测量进行了半定量对比。间隔数取为将中子能量从源降至长江大学第6页最终能量所需的平均碰撞数。假定在任意给定的对数能量损失间隔内,散射截面是常数。其对比表示如下:式中:̅2为无限均匀介质中离点源的均方慢化距离;Σs,0为源中子的散射截面;Σs,i为对数能量损失间隔i的平均散射截面,n为对应于最终最低能中子散射的间距,A为散射核的原子质量,f为平均慢化时间,vi为对数能量损失间隔i的平均中子速度。从14MeV到1MeV,Σs,i一般变化约一个级次。对于主要影响慢化过程的氢而言,Σs,0Σs,1…Σs,n这样,对̅2的大部分贡献是在接近高能时,这时其它元素有很大的影响。相反,对于慢化时间关系而言,从14Mev到1ev,̃变化4xl03倍。因为对t的最大贡献是由于̅Σs,i小,越靠近低能端,其权越大。由于是低能端的加权,这时氢以中子散射和能量损失过程为主,这对于诸如PNP之类的随时间变化的测量,使孔隙度灵敏度提高,而降低了随岩性的变化。长江大学第7页实验室实验使用饱水小盒岩石的实验室实验证实,不同岩类(砂岩、石灰岩和白云岩)的PNP测量结果十分一致,说明这种方法与岩性的关系很小。而且,超热中子衰减对源检距的灵敏度实验表明,不同源检距对测定的超热中子寿命似乎无多大影响。原型测井仪测井仪包括一个中子管和产生14MeV中子的脉冲控制,一个超热中子探测器系统,一个脉冲时间分析器用于确定中子探测相对于中子生成脉冲的时间,和带有地面设备的数字通信系统。图3是测井仪及其某些组成部分的示意图。γ探测器安装在测井仪的顶部,监测与测井仪中中子源无关的来自地层的天然幅射。该测井仪直径9.52cm,长度5m。在中子源和探侧器系统附近有一个弓形弹簧。中子发生测井仪中的一个加速器通过中子管中的D一1反应产生14MeV的中子。中子输出的校准是在井下仪微处理机的控制下,通过监测中子管的靶电流,然后调整气体补充器的电流。因为控制孔隙度测量的是超热中子衰减率而不是绝对计数,所以不需要对中子输出进行高度校准。长江大学第8页通过控制应用于中子管的电离电势来达到中子脉冲发生。对于超热中子衰减,重要的是在迅速关断中子发生之后,能尽快监测与地层作用的中子衰减。PNP中子发生器以16µS的中子脉冲工作,大约1µS后完全关断。中子脉冲以每200µS重复。探测井系统使用3个用钆密封的3He探测器探测中子。这些探测器大小为1.315cm(直径长度),它们充填有10atm的3He。用0.015cm厚的钆箔密封探测器,以便使超热中子到达探测器时吸收掉热中子。使用钆而不是镉是因为钆能使更低能(0.1一0.2eV)的中子到达探测器,这样产生更长的超热中子寿命(对于给定的地层孔隙度),从而更易于用测井仪中的定时电子设备测量。此外,Gd的截止能低,因此能观测到与超热中子相互作用的氢分子的约束效应。(Mills,1981)如图4所示,三个中子探测器并排安装,且它们是平行接电的。这些探测器位于测井仪的一侧附近,在探测器后面,为涂硼的聚乙烯,以减少探测来自钻孔的中子。中子源和探测器邻近端之间的距离是25cm。涂硼的聚乙烯(5cm厚)位于源和探测器之间。脉冲时间分析器当相对于中子循环开始产生探测超热中子时,测井仪中的脉冲时间分析器开始记录。含中子脉冲的200µS的循环周期被细分成200个时间长江大学第9页道,每道1µS。当在某一给定时间探测一个中子时,存储器中相应道的计数增加1。200µS的循环被重复多次,直到接收到来自井口的停止累积和传送数据的指令。数据分析技术测井仪的资料由200道组成,所含的计数是根据中子源的重复脉冲以连续1µS的时间间距累积的。图5是PNP标定数据的实例,是衰减之后源脉冲期间积累的计数。正好在脉冲之后22一29道中的瞬发衰减主要受探测器包装中聚乙烯的影响,其次是受井孔流体的影响,因而未用于分析。对确定地层孔隙度有价值的超热中子衰减始于30道,结束于39到大约125道,这取决于衰减的速率。进入探测器的热中子衰变减慢,这在更高道是很明显的。我们现有的数据分析算法是在减去热中子背景值之后从实验数据中提取超热中子衰减参数。这种计算极快,且易于在测井时以实时进行。力矩法的计算速度优于标准的最小二乘拟合法。然后,通过在已知孔隙度的地层模型中进行的测量,确定提取的超热中子寿命与地层孔隙度的关系。标定德克萨斯州休斯顿美国石油学会(API)和Mobil已知孔隙度的地层模型上获得的资料,提供了一种标定PNP系统的孔隙度的方法。图6是长江大学第10页这些模型上测得的超热中子寿命倒数值随孔隙度的变化曲线,其不确定度不超出符合的大小。图7是PNP、补偿中子、声和密度法的固有孔隙度灵敏度的对比。图中绘出的是固有物理参数,已相对于40%孔隙度时的值进行了归一化。PNP的固有物理参数为超热中子寿命,图中所用的补偿中子的固有物理参数是修改的迁移长度。声和密度的固有物理参数分别是速度和地层的体密度。已使用石灰岩基质计算补偿中子、声和密度法的灵敏度。正如图6中曲线的斜率所表明的,四种方法中PNP法提供的固有孔隙度灵敏度最好。很难对这四种测井方法的绝对精度比较,因为这涉及仪器设计、系统误差和随机误差等的详细考虑。井孔和地层效应当在不同于标定时的条件下收集野外数据时,计算的孔隙度可受到畸变。孔径、孔中的流体(水或泥浆)、地层流体(烃或水及其盐度)、仪器离井壁的间隙和岩性可大大改变仪器对地层孔隙度的响应。通常使用离差曲线或修正系数来改善结果,以消除标定和测井条件之间的差别。已通过仪器在地层模型上工作,检验了许多这些条件下PNP系统的灵敏度。间隙间隙是由仪器的夹紧隔板形成的。隔板在仪器和地层之间形成0.64cm和1.3cm的间隙,以后的最好PNP式样可能是以薄垫套来与井壁保持长江大学第11页较好接触的中子探侧器。因为PNP资料由衰减谱而不是像稳态中子孔隙度仪中的单个计数率组成,所以有可能根据它对衰减谱形状的影响确定仪器的间隙。仪器间隙使初始与井孔有关的衰减较之以后与地层有关的衰减增大。确定谱形状变化的算法也可能对计算的孔隙度进行合适的修正。泥桨在Mobil砂包模型上检验了钻孔和间隙中钻探泥浆效应。对于零间隙,钻孔中为水和泥浆测定的孔隙度没有多大差别。同样注意,对于钻孔中的水和泥浆,孔径改变的影响不大。孔径对测量的孔隙度影响小表明,中子探测器之后的聚乙烯屏蔽使它们充分免受钻孔信号的干扰。孔径在地层模型上,检验了仪器对35.6cm以下孔径的灵敏度。模型中孔径变化的影响在测定的孔隙度中不产生可识别的变化,因此表明孔径影响小盐度表4表明盐水模型上测定的孔隙度,一般说来,与调整规定的33.0%的孔隙度一致,说明在水中盐置换某些氢。油模型中测定的孔隙度似乎稍低,尽管油的氢指数和地层饱和的不确定度可能很大。在PNP测量中,油和水之间还可能存在某些区别,它超出了氢原子密度(氢指数)的差别。在使用小盒的实验室实验中,测定的油的超热中子寿命比水长江大学第12页约长13%(两种不同氢指数0.9973和1.025的油)。根据饱水地层中的标定,如果PNP测井仪测定的油中的寿命还要长,计算的孔隙度将会低。这可能是造成含油地层模型中规定的和测定的孔隙度之间的差别的原因。盐水中的氯大大影响PNP数据热中子的成分。适合应用的热中子寿命在盐水地层约为110µS,而在油地层中为210µS。在PNP数据分析时,按照每种模型中合适的热中子寿命,减去热中子背景值。岩性如前所述,装有砂岩、石灰岩和