脉冲中子孔隙度测井

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。
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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 1.3× 15cm(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。
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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
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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。
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
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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, and Stromswold, 1988):
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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:r2 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,0< Σs,1<…<Σs,n 这样,对r2 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, vi,变 化 4xl03 倍。因为对 t 的最大贡献是由于viΣs,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。
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
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
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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。
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。
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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:
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
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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。
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： 学 号： 张立胜 李硕
201200873 201200810
成
绩：
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《脉冲中子孔隙度测井》
翻译人：44 张立胜 18 李硕 翻译序号：14 W. R. Mills, D. C. Stromswold, L. S. Allen 测井（基）11201
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
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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，