基于脈沖中子源的密度測井技術(shù)研發(fā)背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

【摘要】伽馬-伽馬測井探測深度淺受套管影響大，人們做了很多嘗試來改變這種局限：增加探測器的數(shù)量會使儀器變的復(fù)雜且昂貴，用孔隙度推導(dǎo)密度受巖性影響。一種新的可以解決上述問題的技術(shù)--脈沖中子密度測井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生：高能中子在地層中衰減，伽馬射線在伽馬源和探頭之間的地層中衰減，這就是基于脈沖中子源的密度測井的基礎(chǔ)；本文還介紹了此項技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】伽馬-伽馬測井；孔隙度測井；脈沖中子密度；發(fā)展現(xiàn)狀

一、引言

眾所周知，測井儀器是用來測量地球信息的工具，尤其是用測量地下的石油和天然氣儲量。許多井下儀器采用了多種技術(shù)來探測地層性質(zhì)，例如密度，孔隙度，含水飽和度和含油氣飽和度。這些技術(shù)中包括放射性能量的使用。例如，伽馬射線被廣泛的用于測定地層密度，因為伽馬射線穿過地層后的強(qiáng)度跟地層的電子密度有關(guān)。

密度測井一直使用化學(xué)放射源，探測深度淺，受套管影響大，且對工作人員、周圍環(huán)境都存在著潛在的危害。人們做了很多嘗試來改善這種局限。

二、基于脈沖中子源的密度測井技術(shù)研發(fā)背景

1.伽馬-伽馬測井儀器的改進(jìn)

安裝于井下儀器的伽馬源連續(xù)的發(fā)出伽馬射線并向地層中擴(kuò)散。典型的伽馬射線源是Cs-137。地層的電子密度是在通過測量計數(shù)率或探測器探測到的伽馬射線的強(qiáng)度的基礎(chǔ)上計算出來的。通常，至少需要兩個探測器（長源距和短源距）才能讓測量結(jié)果基本不受儀器周圍泥餅的影響（泥餅是由泥漿中的固體顆粒沉淀于裸眼井井壁上的一層固體物質(zhì)）。為避免探測器接收到直接輻射，探測器和伽馬射線源之間的儀器外殼用高密度材料制成。

這種雙探頭密度測井儀適合在光滑的裸眼井中使用，但是它的探測深度淺（<4英寸）而且在套管井中測量效果不好。套管井密度測井通常用于老井復(fù)查和監(jiān)控油藏動態(tài)。這種儀器能夠補(bǔ)償泥餅的影響但不能補(bǔ)償套管和水泥膠結(jié)的影響，特別是當(dāng)鋼套管超過1.5英寸厚且密度很大時，對低能伽馬射線傳播的衰減很大。人們做了很多嘗試來改善這種局限。一種改進(jìn)技術(shù)是用三個或更多的探測器，但是增加探測器會使儀器變得復(fù)雜和昂貴；還有一種改進(jìn)是使用能量高的放射源比如Co-60，他能放射出1.173MeV和1.333MeV的伽馬射線，Cs的能量是0.662MeV。盡管這種方法有很多優(yōu)勢，但是仍然探測深度較淺。

2.利用孔隙度推導(dǎo)地層密度

孔隙度測井技術(shù)建立在五種基本伽馬射線探測器的基礎(chǔ)上：單熱中子探測器，雙熱中子探測器，單超熱中子探測器，雙超熱中子探測器，和脈沖中子捕獲伽馬探測器。單熱中子探測器可以得出衰減長度（周圍環(huán)境中氫和鐵的數(shù)量）同時熱中子的數(shù)量和氫的數(shù)量相關(guān)，比如低計數(shù)率可以判斷出更高的氫和孔隙度。雙熱中子探測器與單熱中子基本相似區(qū)別在于他有兩個探頭來補(bǔ)償中子吸收和井眼變化的影響。單超熱中子探測器與單熱中子類似，不過是探測超熱能量的衰減長度，雙超熱中子探測器同樣是用兩個探頭來補(bǔ)償中子吸收和井眼變化的影響。

綜上所述，增加探測器的數(shù)量會使儀器變的復(fù)雜且昂貴，用孔隙度推導(dǎo)密度受巖性影響。在此背景下一種混合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

三、基于脈沖中子源的密度測井

脈沖中子密度測井可以用高能中子源產(chǎn)生的伽馬射線直接得到體積密度而不是孔隙度。高能中子在地層中衰減，伽馬射線在伽馬源和探頭之間的地層中衰減，這就是基于脈沖中子源的密度測井的基礎(chǔ)。

1.脈沖中子密度測井的優(yōu)勢

脈沖中子密度測井利用脈沖中子源代替伽馬-伽馬密度測井的Cs-137密度源，脈沖中子源向地層中發(fā)射14MeV的高能中子，高能中子與地層物質(zhì)發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生高能伽馬射線，其探測深度更大，使套管井的密度測量成為可能；且脈沖中子源為可控源，能最低程度的減少對人和周圍環(huán)境的放射性危害；它與伽馬-伽馬測井比起來還有其他的優(yōu)勢：這個測量可與中子壽命測井、氧活化測井、中子-伽馬能譜測井等同規(guī)格的其他硬件同時使用，用于隨鉆測井。

2.脈沖中子密度測井的原理

中子發(fā)生器發(fā)射的能量為14MeV的高能中子射入地層后，依次與地層元素發(fā)生非彈性散射、彈性散射以及俘獲作用，其中快中子的非彈性散射和熱中子的俘獲都會釋放出伽馬射線。由于傳統(tǒng)的伽馬-伽馬密度測井就是利用伽馬射線在地層中的衰減與電子密度的關(guān)系，因此可以利用快中子與地層元素反應(yīng)產(chǎn)生的伽馬射線作為密度源來求取地層的密度值。但是與傳統(tǒng)的密度測井不同的是，脈沖中子產(chǎn)生的伽馬射線源的空間分布和強(qiáng)度隨著地層性質(zhì)的不同而動態(tài)變化。為了獲得準(zhǔn)確的地層密度測量結(jié)果，最好只使用高能中子非彈性散射后發(fā)出的伽馬射線。

四、脈沖中子密度測井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1997年康普樂公司發(fā)布的脈沖中子衰減能譜測井儀（PND-S）中提供了利用快中子非彈性散射產(chǎn)生的伽馬射線求取密度孔隙度的簡化方法。

1999年Odom等人利用脈沖中子衰減能譜測井儀（PND-S）求得的非彈伽馬擴(kuò)散長度來求取套管井的地層密度值，并于2001年又在PND-S儀器基礎(chǔ)上增加了1個快中子探測器和1個長伽馬探測器用來提高性能，使用刻度艙刻度或轉(zhuǎn)換網(wǎng)格的方法得到地層密度。

Schlumberger公司于2005年首次推出了包括脈沖中子密度測井在內(nèi)的隨鉆測井平臺Eco-Scope，但為了保證測井的準(zhǔn)確性與兼容性，仍保留了儀器中的Cs-137密度源。

2005年weller等認(rèn)為其原理：中子發(fā)生器發(fā)射的快中子在地層中激發(fā)生成了一個彌散分布伽馬源，類似于常規(guī)補(bǔ)償密度測井儀中的Cs-137源，這個彌散分布源發(fā)出的一部分伽馬射線與地層作用后，攜帶著地層密度信息，被儀器中的伽馬探測器記錄，使測得的伽馬計數(shù)率成為地層體積密度的函數(shù)。但是和常規(guī)補(bǔ)償密度測井不同的是，不僅此伽馬源的強(qiáng)度不像Cs-137那樣穩(wěn)定不變，而且其空間分布（對應(yīng)于常規(guī)儀器的源距）還受到地層快中子減速長度的影響。在用此伽馬計數(shù)率計算密度之前，先要對它作減速長度影響校正；而快中子減速長度和一定源距處的超熱中子通量密切相關(guān)，于是相應(yīng)的超熱中子計數(shù)率就被用來進(jìn)行該校正。

目前此項技術(shù)在國內(nèi)還處于探索研究階段，國外此項技術(shù)也不成熟。已推出的儀器只有Schlumberger公司的包括脈沖中子密度測井在內(nèi)的隨鉆測井平臺Eco-Scope，但為了保證測井的準(zhǔn)確性與兼容性，仍保留了儀器中的Cs-137密度源。

在求取密度的方法領(lǐng)域，大部分方法都是利用快中子非彈散射產(chǎn)生的伽馬射線的衰減計算地層密度，但由于測得的非彈性伽馬射線計數(shù)率受地層密度、含氫指數(shù)等多種因素的影響，使得過程比較復(fù)雜，測量方法、儀器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理等方面都還未能達(dá)成統(tǒng)一。

五、結(jié)論

密度測井一直使用化學(xué)放射源，探測深度淺，受套管影響大，且對工作人員、周圍環(huán)境都存在著潛在的危害。人們做了很多嘗試來改善這種局限：增加探測器的數(shù)量會使儀器變的復(fù)雜且昂貴，用孔隙度推導(dǎo)密度受巖性影響。利用脈沖中子源測量地層密度的方法理論上可行且可以改善上述局限，但是此項技術(shù)起步晚且求取密度的計算過程復(fù)雜。國內(nèi)外都未研制出成熟的儀器。繼續(xù)探索更好的求取密度的方法是研究此項技術(shù)的下一步工作重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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