《脉冲中子孔隙度测井》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲中子孔隙度测井（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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长江大学第 3 页的中子源及单个伽马和热中子探测器。
3、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 Sincl
4、air,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
5、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 主要确定孔隙度的长江大学第 4 页生成、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 射线，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
6、。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, and Stromswold, 1988):式中:( 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，长江大学第 5 页, 为中子物质常数，它们是存在的元素类型和含量所特有的;(2/)为伽马函数。反应截面为 (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.V th:为热中子的速度(2200m/s),
7、a 为介质的宏观热中子吸收截面,T 为中子脉冲 m(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,已对稳长江大学第 6 页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
8、为无限均匀介质中离点源的均方慢化距离; s,0为源中子的散射截面; s,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,v i为对数能量损失间隔 i的平均中子速度。从 14MeV 到 1MeV, s,i一般变化约一个级次。对于主要影响慢化过程的氢而言, s,0 s,1 s,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 s,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
9、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。 探测器安装在测井仪的顶
10、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,然后调整气体长江大学第 8 页补充器的电流。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。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 16S 的中子脉冲工作,大约 1S
11、 后完全关断。中子脉冲以每 200S 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
12、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。脉冲时间分析器长江大学第 9 页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 200S 的循环周期被细分成 200 个时间道,每道 1S。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。200S 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 1S 的时间间距累积的。图
13、 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。标定长江大
14、学第 10 页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
15、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。间隙长江大学第 11 页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
16、样可能是以薄垫套来与井壁保持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
