随钻可控源中子测井仪器研究

随钻可控源中子测井仪器研究李安宗;秦泓江;王珺;朱军【摘要】斯伦贝谢公司的随钻可控源测井仪器已投入商业化应用,为缩短国内外差距,中国石油集团测井有限公司研制了适用于随钻测井的可控源中子孔隙度仪器,并在油田进行了随钻测井.通过国内外发展现状对比,介绍了随钻可控源脉冲中子测井仪器研究思路.利用可控源向地层发射中子,尽可能多地采集有关的地层信息,将理论模拟、试验验证及实际应用相结合,指导仪器探测器、探测器位置、中子发生器及中子管等的设计.研究将孔隙度及地层宏观俘获截面两种参数的测量集成在一根钻铤上,实现一次下井完成两种参数测量,识别含气层、含水饱和度等,可以节省测井时间和成本.%The logging while drilling tool with controllable neutron source has been available commercially abroad. To shorten the gap from abroad, the neutron LWD tool with controllable neutron for porosity logging is developed, and it has been successfully introduced and applied in some oilfields domestically. Based on the proceedings of the technique at home and abroad, the research logic of the self developed tool is illustrated. The controllable sources are used to emit neutrons towards the formation and to acquire the relative formation information. The design works on detector structure, detector position, neutron generator and neutron tube are instructed and optimized through the combination of theoretical modeling, experimental verification and practical applications. The acquisition of porosity and macroscopic capture cross section are carried out through integrating them into one collar. The two parameters can be measured in one logging trip, and gas-bearing layer and water saturationcan be identified. Therefore, the technique can save time and cost of logging.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2011(033)005【总页数】5页(P105-109)【关键词】随钻测井;可控中子源;补偿中子孔隙度测井;宏观俘获截面;可控源脉冲中子测井【作者】李安宗;秦泓江;王珺;朱军【作者单位】中国石油集团测井有限公司随钻测井中心,陕西西安710054;中国石油集团测井有限公司随钻测井中心,陕西西安710054;中国石油集团测井有限公司随钻测井中心,陕西西安710054;中国石油集团测井有限公司随钻测井中心,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】P631随钻测井技术在石油勘探和开发过程中发挥越来越重要的作用，大大提高了钻井时效。

在国外有替代电缆测井的趋势，国外随钻核测井技术已经发展至集成度高的可控源脉冲中子随钻测井仪，尤其是对中子孔隙度、地层密度、地层宏观俘获截面测井等方面，有很大的发展。

2010年7月，由中国石油集团测井有限公司自主研制的可控源中子孔隙度随钻测井仪，在现场试验中获得成功，为进一步开展随钻可控源中子测井方法研究奠定了基础。

镅铍中子源测量地层中子孔隙度测井已有40年的历史，随着钻井环保的要求和同位素中子源的紧缺，利用脉冲中子源和多探测器组合系统进行随钻中子孔隙度和宏观俘获截面测量，具有重要的现实意义和应用价值。

实现“无源化”随钻测井技术已经是未来随钻测井发展的方向，因此开展随钻脉冲中子测井技术方法研究，设计新型仪器，完善脉冲中子测井数据的处理及解释评价方法，进行随钻核测井方法研究不仅可以解决国内对随钻可控源测井市场迫切需求，还可以拓展随钻测井的国外市场，具有广阔的应用前景。

本文简要介绍了国内外随钻测井仪研究进展，从脉冲中子测井的基本原理入手，结合脉冲中子仪器现场测井试验，证明了用可控中子源进行中子孔隙度测井、宏观俘获截面测井的可行性。

国外随钻核测井仪的发展方向是高度集成化，将核测井技术集成在1根钻铤中。

仪器特点是：在中子孔隙度随钻测井仪中用脉冲中子发生器（PNG）取代了传统的镅铍中子源，仅用1根钻铤，提供多探测深度传播电阻率、地层密度和中子孔隙度测量。

仪器测量原理与同类电缆密度测井和中子测井类似，提供实时中子孔隙度、地层体积密度和光电吸收系数，用以在钻井过程中描述地层孔隙度和岩性。

为提高精度，这些测量都进行校正。

按方位测量岩石和流体性质，地层评价精度高，储层描述准确。

国内有多家公司或研究院所正在开发可控源中子孔隙度测井仪，中国石油集团测井有限公司自主研发的可控源中子孔隙度随钻测井仪已经通过现场试验。

研制的三参数地层评价随钻测井系统，包括方位伽马感应电阻率随钻测井仪、电磁波电阻率随钻测井仪、可控源中子孔隙度随钻测井仪［1-6］。

中子与地层的相互作用，是中子与地层元素的原子核之间的作用，当脉冲中子源发射的14 MeV的高能快中子射入地层后，在最初极短的时间内，与地层中各元素的原子核发生非弹性散射而损失大量的能量，同时释放出具有核辐射特征能量的非弹性散射伽马射线。

一般来说，在脉冲中子源发射中子后的几微秒内，14 MeV的快中子在井眼周围的地层中被慢化为热中子，它们能在中子源附近的地层中持续存在1000 μs甚至更长的时间。

利用中子与地层的相互作用的物理原理，脉冲中子测井可以分为脉冲中子—中子测井和脉冲中子—伽马测井。

脉冲中子—中子测井有补偿中子测井、密度测井、热中子俘获截面测井等；脉冲中子—伽马测井有密度测井、碳氧比测井、热中子俘获截面测井、氧活化测井等。

2.1 中子孔隙度测井基本原理补偿中子测井是中子源向地层发射快中子，在离源距离不同的两个观测点上，用热中子探测器测量经地层慢化并散射回井眼的热中子，用长、短源距探测器计数率的比值测定地层的孔隙度。

对于点状中子源，距离其为r处的热中子通量为热中子通量取决于快中子的减速长度Le、热中子的扩散系数Dt和热中子的扩散长度Lt。

设源距分别为r1和r2，在源距r较大的情况下，则有热中子计数率比值显然在源距r1和r2已知的情况下，热中子计数率比值只与快中子的减速长度有关，通过它可以求得孔隙度。

2.2 宏观俘获截面测井基本原理［7］在微观世界中，热中子微观俘获截面是指元素的1个原子核对热中子发生俘获反应的几率，用σ表示。

而地层物质是由很多原子核组成的，单位体积内各种原子核微观俘获截面总和称为宏观俘获截面，用Σ表示，单位用C.U.，它表示了热中子在该物质中运动l cm 的路径中被核俘获的概率。

物质的宏观俘获截面依赖于地层中各种元素的含量，如（3）式表示式中，σi为物质中第i种核素的热中子微观俘获截面，Ni为1 cm3体积中第i种核素的原子数，也就是原子核密度，对于一定的物质，含高截面元素的原子愈多，其宏观俘获截面就愈大。

由核物理手册可查出各种元素的微观俘获截面，这样可求出某种物质的宏观俘获截面，如纯水（H2O），Σ水=2.1 C.U.；石英（SiO2）ΣSiO2=4.25 C.U.；物质的热中子平均寿命τ与Σ有如下关系只要测出地层中热中子平均寿命，就可由（4）式求出宏观俘获截面，从而可查出对应物质。

由热中子衰减规律得出俘获γ强度随时间的衰减规律如果在时间t1，t2，t3附近的小时间区间中分别测得射线计数N1，N2和N3，把它们分别代入（4）、（5）式，就可求出地层中τ和Σ值。

D-T类型中子发生器产生的14 MeV中子与化学AmBe中子源受环境影响不同，因其能量较AmBe中子源（4.5 MeV）高很多，受井骨架、井眼、泥浆重量、泥浆矿化度、地层矿化度、压力等的影响较小。

但是D-T类型中子发生器中子产额受温度影响较大，主要是中子产额波动较大，该不利因素在随钻测井中利用随钻测井的工作方式来减小因产额带来的负面影响,达到与化学源同等的测井效果［12］。

3.1 宏观俘获截面与地层中子孔隙度的关系通常地层是由多种物质组成，如固体、液体、气体等，为了直观，地质上经常采用Σ的相对体积表达式式中，n表示该地层由几种物质组成；Vi表示第i种物质在1 cm³体积物质中占的相对份额；Σi表示第i种物质的宏观俘获截面。

地层水或盐水的宏观俘获截面可以通过化验确定。

首先确定水中NaCl的百分浓度，如果还含有其它不可忽略的盐类或杂质，则还要按其NaCl等效浓度系数折算计入，最后算出溶液总的NaCl等效浓度矿化度，通常以p表示,单位为mg/L。

算出地层的矿化度后可由下式求出盐水的Σw值。

假设一个较理想的不含泥质的储集地层，如图1所示。

由公式（6）可得出该地层的Σ方程其中，φ表示地层的孔隙度；Sw表示地层含水饱和度；Σma、Σw、Σhc为地层骨架、水、油或气的宏观俘获截面。

对于100%的水层，（8）式可变为对于100%的油层，上式可变为假设这两种状态岩性及孔隙度相同，且Σma=10 C.U.，φ=0.2，取Σ0=22 C.U.，Σw=70 C.U.（p=13万mg/L时），将这些参数代入（9）、（10）式得Σ水层=22 C.U.，Σ油层=12.4 C.U.，从这个结果可以看出地层水与油的差异。

式（9）减去式（10）得中子孔隙度直接测量的地层孔隙度，代入式（11）可求出油水差异，找出含油层。

3.2 随钻可控源中子测井一体化设计的优势在测量中子孔隙度的同时，充分利用可控源特性，获取地层信息，利用脉冲中子测井原理和宏观俘获截面测井原理，可在同一种仪器上获取两种地层信息。

因为对于同一孔隙度的地层，水与油的宏观俘获截面差异愈大，对于油、水层分辨能力愈强，这时为了对地层进一步分析，可用中子孔隙度测井仪测量的孔隙度来求油水宏观俘获截面差异，准确判断油水层。