一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法
技术领域
1.本发明属于矿场地球物理测井技术领域，具体涉及一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法。
背景技术：2.地层孔隙度作为石油勘探开发过程中最重要的地质参数之一，在计算地层的产油能力以及识别气层等方面具有重要意义。补偿中子孔隙度测井作为最常用的地层孔隙度测量方法，其采用的am-be中子源在安全、健康与环境等方面存在一系列的问题，并且为了适应新测井方法的需求，随着中子源的发展，am-be中子源逐渐被d-t脉冲中子源所取代。d-t脉冲中子源发射中子的平均能量为14mev，明显高于am-be源产生中子的平均能量，但是，由于地层密度对含氢指数的测量影响显著，导致采用d-t脉冲中子源测量地层孔隙度时，中子孔隙度测井仪器的孔隙度灵敏度降低。
3.在以往的研究中，利用探测器的热中子计数比进行密度校正可以提高地层孔隙度测量的灵敏度，通过建立热中子计数比、地层密度与含氢指数之间的关系能够消除地层密度对孔隙度测量灵敏度的影响，但是，该方法极其依赖地层的密度信息，必须将地层密度曲线作为输入参数，所以该方法无法应用于缺少裸眼资料的井中。因此，亟需提出一种d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，消除地层密度对含氢指数测量的影响，提高中子孔隙度测井仪器的孔隙度灵敏度。
技术实现要素：4.本发明针对上述不足，提出了一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，基于d-t脉冲中子源、双中子探测器和双伽马探测器的测量系统，利用近、远中子探测器的热中子计数比值以及近、远伽马探测器的非弹伽马计数比表征地层孔隙度，有效消除了地层密度对地层含氢指数测量的影响，实现了对地层孔隙度的准确获取，提升了中子孔隙度测井仪器在高孔地层中的孔隙度灵敏度。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，采用四探测器脉冲中子测井仪器进行测量，四探测器脉冲中子测井仪器内设置有由d-t脉冲中子源、两个中子探测器和两个伽马探测器组成的测量系统，具体包括以下步骤：
7.步骤一，将四探测器脉冲中子测井仪器置于井中贴井壁测量，d-t脉冲中子源以脉冲的形式发射快中子，记录近伽马探测器的非弹伽马计数、远伽马探测器的非弹伽马计数、近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数；
8.步骤二，根据近中子探测器与远中子探测器的热中子计数比，结合近伽马探测器与远伽马探测器的非弹伽马计数比，确定地层的中子孔隙度评价参数r
ti
为：
9.10.式中，r
th
为近中子探测器与远中子探测器的热中子计数比，r
in
为近伽马探测器与远伽马探测器的非弹伽马计数比；
11.步骤三，基于蒙特卡罗数值计算方法，根据四探测器脉冲中子测井仪器建立mcnp数值计算模型，改变mcnp数值计算模型的地层孔隙度，模拟得到不同地层孔隙度条件下近伽马探测器的非弹伽马计数、远伽马探测器的非弹伽马计数、近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数，计算得到不同地层孔隙度所对应的中子孔隙度评价参数，建立中子孔隙度评价参数与地层孔隙度之间的关系为：
12.φ＝ar
ti2
+br
ti
+c
ꢀꢀꢀ
(2)
13.式中，φ为地层孔隙度，r
ti
为中子孔隙度评价参数，a、b、c均为刻度系数；
14.步骤四，基于中子孔隙度评价参数与地层孔隙度之间的关系，利用地层的中子孔隙度评价参数，得到准确的地层孔隙度。
15.优选地，所述四探测器脉冲中子测井仪器的仪器直径设置为89mm，近伽马探测器和远伽马探测器的源距分别设置为31.25cm和70cm，近中子探测器和远中子探测器的源距分别设置为31.25cm和57.5cm。
16.优选地，d-t脉冲中子源与近中子探测器之间设置有钨镍铁屏蔽体。
17.优选地，所述步骤三中，mcnp数值计算模型中井径设置为200mm，地层岩性设置为石灰岩，mcnp数值计算模型中地层孔隙度的变化范围为0～100％。
18.本发明所带来的有益技术效果：
19.本发明基于四探测器脉冲中子测井仪器，采用由d-t脉冲中子源、两个中子探测器和两个伽马探测器组成的测量系统同时获取近、远中子探测器的热中子计数和近、远伽马探测器的非弹伽马计数，利用近、远中子探测器的热中子计数比和近、远伽马探测器的非弹伽马计数比计算地层的中子孔隙度评价参数确定地层孔隙度，实现了对地层孔隙度的准确测量。
20.本发明通过将四探测器脉冲中子测井仪器的热中子计数比和非弹伽马计数比相结合确定地层孔隙度，无需依赖地层的密度信息即可消除地层密度对地层含氢指数测量结果的影响，有效提高了高孔地层中中子孔隙度测井仪器的孔隙度灵敏度，为油气资源的勘探开发奠定了基础。
附图说明
21.图1为四探测器脉冲中子测井仪器的结构示意图。图中，1、远伽马探测器，2、远中子探测器，3、近中子探测器，4、近伽马探测器，5、钨镍铁屏蔽体，6、d-t脉冲中子源，7、井眼，8、地层。
22.图2为不同地层条件下四探测器脉冲中子测井仪器热中子计数比的响应规律。图中，固定地层密度改变含氢指数曲线对应的地层条件为固定地层密度为2.19g/cm3、改变地层的含氢指数，含氢指数的变化范围为0～1；固定含氢指数改变地层密度曲线对应的地层条件为固定含氢指数为0.3、改变地层密度，地层密度的变化范围为1～2.708g/cm3；同时改变地层密度与含氢指数曲线对应的地层条件为改变地层密度范围为1～2.708g/cm3、对应改变地层的含氢指数，含氢指数的变化范围为0～1。
23.图3为不同地层条件下四探测器脉冲中子测井仪器非弹伽马计数比的响应规律。
图中，固定地层密度改变含氢指数曲线对应的地层条件为固定地层密度为2.19g/cm3、改变地层的含氢指数，含氢指数的变化范围为0～1；固定含氢指数改变地层密度曲线对应的地层条件为固定含氢指数为0.3、改变地层密度，地层密度的变化范围为1～2.708g/cm3；同时改变地层密度与含氢指数曲线对应的地层条件为改变地层密度范围为1～2.708g/cm3、对应改变地层的含氢指数，含氢指数的变化范围为0～1。
24.图4为不同地层孔隙度条件下热中子计数比和中子孔隙度评价参数的响应规律。
25.图5为不同地层孔隙度条件下采用热中子计数比和中子孔隙度评价参数表征孔隙度时的相对灵敏度对比图。
具体实施方式
26.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：
27.d-t脉冲中子源发射的快中子进入地层后，与地层物质的原子核发生非弹性散射、弹性散射和辐射俘获等反应，中子能量降低变成超热中子和热中子。地层中热中子通量的分布取决于中子移动的距离r和地层介质的减速长度ls，地层密度对热中子分布的影响不可忽略，因此，地层中热中子的分布受到含氢指数和地层密度的共同影响。当地层孔隙度较小时，地层中热中子的分布范围很广，但随着地层孔隙度的增加，地层的含氢指数增大，对快中子的减速能力增强，致使地层中热中子的分布范围逐渐减小。中子孔隙度测井仪器的探测器记录的热中子计数率下降，其中远探测器的热中子计数率下降的比近探测器更快，因此表现为近、远探测器的热中子计数比随着地层孔隙度的增加而增大。与此同时，地层密度随着孔隙度的增大而减小，且地层骨架对中子的减速和吸收作用逐渐降低，减缓了探测器计数率下降的速度，使得热中子计数比对孔隙度的灵敏度降低。为了提高中子孔隙度测井仪器的孔隙度灵敏度，需要考虑地层密度在中子输运中的作用，并对热中子分布进行密度补偿，消除地层密度对孔隙度表征的影响。
28.根据双组扩散理论，在无限大均匀介质中，源距为r1和r2的两个中子探测器记录的热中子计数比r
th
可以近似描述为：
[0029][0030]
式中，为近中子探测器的热中子计数率，为远中子探测器的热中子计数率，r1为近中子探测器的源距，r2为远中子探测器的源距，ls为地层介质的减速长度。
[0031]
对于am-be中子源，地层的含氢指数是决定地层中热中子分布的主要原因，所以采用am-be中子源进行测量时可以直接利用探测器热中子计数比与地层含氢指数之间的关系，但是采用d-t脉冲中子源测量时，利用探测器热中子计数比表征含氢指数受地层密度的影响，所以仅利用热中子计数比表征地层的含氢指数是不恰当的，因此，当中子孔隙度测井采用d-t脉冲中子源进行测量时需要采用热中子计数比与地层密度相结合的方式确定地层的含氢指数。
[0032]
根据中子伽马耦合场理论，中子移动距离r处的非弹性散射伽马射线通量φ(r)为：
[0033][0034]
式中，σ
in
为地层宏观非弹性散射截面，s0为中子源源强，λs为快中子散射自由程，ρ为地层密度，μm为质量衰减系数，i为单个快中子与地层元素发生非弹性散射放出的伽马光子数。
[0035]
根据拉格朗日中值定理对公式(4)进行变换，得到：
[0036][0037]
其中，ξ为在(ρμm,1/λs)范围内如公式(6)所示：
[0038]
ξ＝(1-α)(1/λs)+αρμ
m α∈(0,1)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0039]
则近伽马探测器(源距为r3)与远伽马探测器(源距为r4)的非弹伽马计数比r
in
表示为：
[0040][0041]
所以，当源距固定时，近、远伽马探测器的非弹伽马计数比r
in
仅与地层密度有关，可以直接利用非弹伽马计数比表征地层密度。因此，为了在消除地层密度对地层孔隙度测量的影响的同时提高仪器对孔隙度的灵敏度，将热中子计数比和非弹伽马计数比相结合得到新的孔隙度表征参数中子孔隙度评价参数r
ti
。
[0042]
基于上述原理，本发明提出了一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，采用四探测器脉冲中子测井仪器进行测量，四探测器脉冲中子测井仪器内设置有由d-t脉冲中子源、两个中子探测器和两个伽马探测器组成的测量系统，具体包括以下步骤：
[0043]
步骤一，将四探测器脉冲中子测井仪器置于井眼7中，仪器在井中贴井壁测量，如图1所示，四探测器脉冲中子测井仪器的直径设置为89mm，仪器内部设置有由d-t脉冲中子源6、两个中子探测器和两个伽马探测器组成的测量系统，其中，中子探测器和伽马探测器均呈圆柱体结构，近中子探测器3的直径为4cm、长度为8cm，远中子探测器2的直径为6cm、长度为9cm，近伽马探测器4的直径为4cm、长度为5cm，远伽马探测器1的直径为6cm、长度为9cm，近伽马探测器4与近中子探测器3的源距均设置为31.25cm，远伽马探测器1的源距设置为70cm，远中子探测器2的源距设置为57.5cm；d-t脉冲中子源6与近中子探测器3之间设置有呈圆柱体结构的钨镍铁屏蔽体5，钨镍铁屏蔽体5的直径为89mm、长度为10cm。
[0044]
利用四探测器脉冲中子测井仪器的d-t脉冲中子源以脉冲的形式向地层8中发射快中子，记录近伽马探测器的非弹伽马计数、远伽马探测器的非弹伽马计数、近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数。
[0045]
步骤二，根据近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数确定热中子计数比，再利用近伽马探测器的非弹伽马计数和远伽马探测器的非弹伽马计数确定非弹
伽马计数比，将热中子计数比与非弹伽马计数比相结合，确定地层的中子孔隙度评价参数r
ti
为：
[0046][0047]
式中，r
th
为近中子探测器与远中子探测器的热中子计数比，r
in
为近伽马探测器与远伽马探测器的非弹伽马计数比。
[0048]
步骤三，基于蒙特卡罗数值计算方法，根据四探测器脉冲中子测井仪器的仪器结构建立mcnp数值计算模型，改变mcnp数值计算模型的地层孔隙度，设置地层孔隙度的变化范围为0～100％，每次将地层孔隙度值增大10％进行模拟，得到不同地层孔隙度条件下近伽马探测器的非弹伽马计数、远伽马探测器的非弹伽马计数、近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数，计算得到不同地层孔隙度所对应的中子孔隙度评价参数。
[0049]
根据不同地层孔隙度及其所对应的中子孔隙度评价参数，通过对地层孔隙度与中子孔隙度评价参数进行拟合，建立中子孔隙度评价参数与地层孔隙度之间的关系为：
[0050]
φ＝-0.01385r
ti2
+0.62636r
ti-0.20035
ꢀꢀꢀ
(8)
[0051]
式中，φ为地层孔隙度，r
ti
为中子孔隙度评价参数。
[0052]
步骤四，基于中子孔隙度评价参数与地层孔隙度之间的关系，利用地层的中子孔隙度评价参数，得到准确的地层孔隙度。
[0053]
为例更好的验证本发明方法对d-t脉冲中子源中子孔隙度测井仪器孔隙度灵敏度的提升，利用mcnp数值计算模型模拟的单不同地层条件下四探测器脉冲中子测井仪器热中子计数比和非弹伽马计数比的响应规律，如图2和图3所示，通过分析图2和图3中的响应规律发现热中子计数比和非弹伽马计数比均受地层含氢指数和地层密度的影响，随着地层孔隙度的增加，含氢指数的变化使得中子孔隙度评价参数r
ti
(即热中子计数比与非弹伽马计数比的比值)增加，地层密度的变化使得中子孔隙度评价参数r
ti
减小。但是，当地层孔隙度较大时，热中子计数比受地层密度的影响更大，使得热中子计数比对地层孔隙度的灵敏度降低，而非弹伽马计数比主要反映地层密度的变化，能够用于消除地层密度对四探测器脉冲中子测井仪器热中子计数比的影响。
[0054]
对比不同地层孔隙度条件下热中子计数比和中子孔隙度评价参数(热中子计数比与非弹伽马计数比的比值)的响应规律，如图4所示，再分别计算不同地层孔隙度条件下中子孔隙度测井仪器采用热中子计数比和中子孔隙度评价参数表征孔隙度时的相对灵敏度，如图5所示，其中，相对灵敏度计算公式如公式(9)所示：
[0055][0056]
式中，s为测井仪器对孔隙度的相对灵敏度。
[0057]
通过分析图4和图5可得，四探测器脉冲中子测井仪器的热中子计数比和中子孔隙度评价参数均随着地层孔隙度的增加而降低。当地层孔隙度低于12％时，热中子计数比对于孔隙度的灵敏度高于中子孔隙度评价参数对孔隙度的灵敏度，而当地层孔隙度高于12％时，中子孔隙度评价参数的孔隙度灵敏度明显高于热中子计数比的孔隙度灵敏度。当地层孔隙度为35％时，中子孔隙度评价参数的孔隙度灵敏度是热中子计数比孔隙度灵敏度的
1.98倍，并且地层孔隙度越大，中子孔隙度评价参数的孔隙度灵敏度提升越显著，从而证明了采用本发明方法能够有效提高中子孔隙度测井仪器在高孔地层中测量的灵敏度。
[0058]
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。
技术特征：1.一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，其特征在于，采用四探测器脉冲中子测井仪器进行测量，四探测器脉冲中子测井仪器内设置有由d-t脉冲中子源、两个中子探测器和两个伽马探测器组成的测量系统，具体包括以下步骤：步骤一，将四探测器脉冲中子测井仪器置于井中贴井壁测量，d-t脉冲中子源以脉冲的形式发射快中子，记录近伽马探测器的非弹伽马计数、远伽马探测器的非弹伽马计数、近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数；步骤二，根据近中子探测器与远中子探测器的热中子计数比，结合近伽马探测器与远伽马探测器的非弹伽马计数比，确定地层的中子孔隙度评价参数r
ti
为：式中，r
th
为近中子探测器与远中子探测器的热中子计数比，r
in
为近伽马探测器与远伽马探测器的非弹伽马计数比；步骤三，基于蒙特卡罗数值计算方法，根据四探测器脉冲中子测井仪器建立mcnp数值计算模型，改变mcnp数值计算模型的地层孔隙度，模拟得到不同地层孔隙度条件下近伽马探测器的非弹伽马计数、远伽马探测器的非弹伽马计数、近中子探测器的热中子计数和远中子探测器的热中子计数，计算得到不同地层孔隙度所对应的中子孔隙度评价参数，建立中子孔隙度评价参数与地层孔隙度之间的关系为：φ＝ar
ti2
+br
ti
+c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，φ为地层孔隙度，r
ti
为中子孔隙度评价参数，a、b、c均为刻度系数；步骤四，基于中子孔隙度评价参数与地层孔隙度之间的关系，利用地层的中子孔隙度评价参数，得到准确的地层孔隙度。2.根据权利要求1所述的一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，其特征在于，所述四探测器脉冲中子测井仪器的仪器直径设置为89mm，近伽马探测器和远伽马探测器的源距分别设置为31.25cm和70cm，近中子探测器和远中子探测器的源距分别设置为31.25cm和57.5cm。3.根据权利要求2所述的一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，其特征在于，d-t脉冲中子源与近中子探测器之间设置有钨镍铁屏蔽体。4.根据权利要求1所述的一种基于d-t脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法，其特征在于，所述步骤三中，mcnp数值计算模型中井径设置为200mm，地层岩性设置为石灰岩，mcnp数值计算模型中地层孔隙度的变化范围为0～100％。
技术总结本发明公开了一种基于D-T脉冲中子源的高灵敏度中子孔隙度测量方法。本发明采用设置有D-T脉冲中子源、两个中子探测器和两个伽马探测器的四探测器脉冲中子测井仪器进行测量，获取近、远伽马探测器的非弹伽马计数比和近、远中子探测器的热中子计数比，计算地层的中子孔隙度评价参数，并通过蒙特卡罗数值计算方法建立中子孔隙度评价参数与孔隙度之间的关系，准确确定地层的孔隙度。本发明通过将双中子探测器的热中子计数比与双伽马探测器的非弹伽马计数比相结合，利用中子孔隙度评价参表征地层孔隙度，消除地层密度对含氢指数测量的影响，准确获取地层孔隙度的同时，有效提升了中子孔隙度测井仪器在高孔地层中的孔隙度灵敏度。隙度测井仪器在高孔地层中的孔隙度灵敏度。隙度测井仪器在高孔地层中的孔隙度灵敏度。
技术研发人员：张锋 邱飞 范珺亭 张慧 王含
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
