陣列中子孔隙度測井儀研究

褚慶軍

(中國石油集團測井有限公司大慶分公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

陣列中子孔隙度測井是一種采用脈沖中子源的超熱中子孔隙度測井技術(shù),采用多組不同源距的超熱中子探測器及一組熱中子探測器,使之具有較高的分層能力。在一次測井施工中獲得地層俘獲截面和6種孔隙度,適用于套前、套后測井,特別適合進行薄層測量、復(fù)雜巖性測量、高礦化度地區(qū)測井以及惡劣井眼條件測井[1]。其中技術(shù)比較成熟的主要是斯倫貝謝公司的新一代集成孔隙度、巖性測井儀IPL測井儀。該儀器由3個探頭和1個電子線路短節(jié)組成的模塊式的測井儀器系統(tǒng),其APS陣列探頭利用可控超高產(chǎn)額中子源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學源,是儀器的核心部分。本文介紹了擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)陣列中子孔隙度測井儀。

1 陣列中子孔隙度測井的原理

陣列中子孔隙度測井儀采用脈沖中子發(fā)生器作為放射源,使用2個探測器獲得的計數(shù)比值可以表達孔隙度信息。在均勻無限介質(zhì)中,當源距足夠大時,對點狀快中子源造成的熱中子分布關(guān)系[2]為

(1)

式中,Nt為熱中子(超熱中子)計數(shù)率;r1、r2為源距;Ls為擴散長度?？梢钥闯?計數(shù)比只與地層減速性質(zhì)有關(guān),可以很好地反映地層的孔隙度信息。超熱中子比值孔隙度與熱中子比值孔隙度原理相同,可消除中子發(fā)生器產(chǎn)額變化的影響,同時可部分消除井眼影響[3],但受巖性和巖石骨架密度影響大。

超熱中子壽命也可以計算出超熱中子壽命孔隙度,壽命孔隙度受巖性和巖石骨架密度影響小,受井眼影響大。超熱中子壽命算法為

(2)

式中,N1為t1時刻探測器記錄的計數(shù);N2為t2時刻該探測器記錄的計數(shù)。

通常超熱中子及熱中子計數(shù)率、超熱中子及熱中子比值、超熱中子壽命均可采用三次多項式擬合出與孔隙度的響應(yīng)關(guān)系,即

φ=a0+a1R+a2R2+a3R3

(3)

式中,a,a1,a2,a3為系數(shù);R為計數(shù)率、計數(shù)率比值、或超熱中子壽命τ;φ為孔隙度。對于不同的陣列中子孔隙度測井儀,其響應(yīng)方程系數(shù)將不同。

不同孔隙度有不同的影響因素,儀器與井壁間隙對超熱中子孔隙度影響大、對熱中子孔隙度影響小;地層水礦化度對熱中子孔隙度影響大、對超熱中子孔隙度影響很小;間隙對超熱中子比值孔隙度和超熱中子壽命孔隙度影響權(quán)重不同,可以根據(jù)這些曲線的差異判斷間隙和定性估計地層水礦化度等。地層宏觀俘獲截面是地層俘獲熱中子能力的量度,它由所含核素的微觀俘獲截面所決定,如鹽水地區(qū)的地層中含氯較高,由于氯的俘獲截面比地層其他常見元素俘獲截面大得多,因而,在地層孔隙度比較大,且地層水礦化度比較高的情況下,可以由熱中子壽命獲得地層含水飽和度信息。

2 儀器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

陣列中子孔隙度測井儀最高工作溫度150 ℃,最大耐壓100 MPa,外徑89 mm,最大測速達240 m/h,套后測井縱向分辨率達到0.5 m;采用CAN總線通訊,配接HY1000測井系統(tǒng)。陣列中子孔隙度測井儀由電源短節(jié)、發(fā)射探測短節(jié)、上下偏心短節(jié)等4個短節(jié)構(gòu)成,測井方式為貼井壁偏心測量。電源短節(jié)輸出低壓直流電給中子發(fā)生器供能;發(fā)射探測短節(jié)包括中子發(fā)生器、陣列中子探測器(由近、中、遠超熱中子探測器和熱中子探測器組成)、主放大器、低壓電源、高壓電源、采集控制電路等;偏心短節(jié)彈簧組由2個夾角為90°的彈簧弓組成,每個偏心短節(jié)上都有2個限位槽,與彈簧組形成可上下滑動的防卡結(jié)構(gòu)。

2.1 中子發(fā)生器設(shè)計

中子發(fā)生器由中子管和中子管外圍電路構(gòu)成。中子管是中子發(fā)生器的核心部件,是將離子源、加速系統(tǒng)、靶子及氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)密封在一個陶瓷或玻璃管內(nèi)形成的一個小型加速器[4]。陣列中子孔隙度測井儀使用的中子管采用冷陰極潘寧離子源。中子發(fā)生器輸出中子時間取決于中子管陽極脈沖高壓的頻率。陣列中子孔隙度測井儀中子管陽極脈沖高壓為2 kV,一個完整的陽極脈沖高壓工作周期時長2 000 μs,包括15個連續(xù)快方式(脈沖寬度15 μs+間歇65 μs)和一個慢方式(脈沖寬度20 μs+間歇780 μs)。慢方式用于記錄熱中子時間譜,共80道、每道時間10 μs,該模式下陽極脈沖頻率低、占空比小?？旆绞较玛枠O脈沖工作頻率高、占空比大,用于記錄超熱中子時間譜。成型的中子發(fā)生器中子爆發(fā)時間約為12 μs,占空比約1/9,提高占空比會增大靶壓供電電路負載,過大的占空比將造成中子發(fā)生器不能長時間穩(wěn)定工作。在中子發(fā)生器研制過程中通過不斷測試確定快模式,保證高占空比情況下中子發(fā)生器能長時間穩(wěn)定工作。在17.3%孔隙度砂巖層地層近、中、遠超熱中子對數(shù)時間譜中,每張譜共40道、每道2 μs,20道處依然存在計數(shù),不可忽略;在40道處幾乎沒有了計數(shù),不會影響下個循環(huán)計數(shù)。

中子發(fā)生器設(shè)計有2個難點:①要有足夠高的瞬間中子產(chǎn)額;②陽極脈沖高壓不能有長沖和拖尾。

正常情況下,靶壓高低決定陽極脈沖高壓持續(xù)期間中子產(chǎn)額得大小。成型的中子發(fā)生器中子產(chǎn)額約為1.0×108s-1,如果在此基礎(chǔ)上,將中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額提高50%,那么靶壓相應(yīng)的要升高10 kV。靶壓升高首先要解決絕緣問題,主要方法:①倍壓器骨架材料使用絕緣效果良好的聚四氟乙烯;②以多層聚酰亞氨薄膜制成的絕緣筒作為倍壓器與外殼之間的絕緣支撐體;③以1 MPa的六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)充滿中子發(fā)生器密封筒內(nèi)的所有縫隙;④對中子管進行充分老化,使中子管可以在更高的靶壓下穩(wěn)定工作。靶壓供電采用地面直流供電的方式,靶壓相對穩(wěn)定,必備采用中子發(fā)生器高壓自動控制系統(tǒng)[5]。為了防止因中子管工作狀態(tài)不穩(wěn)定產(chǎn)生的電脈沖導致靶壓供電電路、鈦絲供電電路損壞,對靶壓增設(shè)了關(guān)斷保護電路。

在陽極脈沖電路里,接一個監(jiān)視陽極電流的采樣電阻,流經(jīng)采樣電阻的陽極電流會使電阻上產(chǎn)生電壓,反應(yīng)中子管的工作狀態(tài),叫作采樣電壓。中子管出現(xiàn)任何不穩(wěn)定狀態(tài)都會在陽極采樣電壓上有及時的反映。儀器的中子管正常工作時,陽極電流會穩(wěn)定在相應(yīng)的范圍之內(nèi)。通過實驗測試可以給出中子管正常工作時的陽極電流范圍。靶壓關(guān)斷保護電路設(shè)置了2個閾值:下閾值和上閾值。當陽極采樣電壓低于下閾值或高于上閾值時,保護電路都會自動切斷靶壓供電電源使靶壓電路停止工作。因為沒有靶壓供應(yīng),儀器電路和中子管就不會損壞。進入保護狀態(tài)以后,不能自動恢復(fù),只有重新啟動儀器才能使靶壓電路再次工作。

陽極脈沖電源輸入為180 V直流電源,經(jīng)過變壓器升壓后提供2 kV的脈沖電壓,脈沖的周期由同步信號控制?？刂菩盘栍煞葹?5 V的同步脈沖充當。變壓器升壓產(chǎn)生陽極脈沖高壓存在上沖和拖尾現(xiàn)象,不利于快方式測量。因此,應(yīng)用了一種陽極高壓控制電路,采用高壓開關(guān)來代替變壓器直接生成陽極脈沖高壓。輸入端中,高壓由成品高壓電源模塊提供,其值為2 kV,由同步信號控制輸出陽極高壓。當同步信號為高電平時,高壓輸出端與直流高壓相連,與地斷開,陽極高壓為2 kV;當同步信號為低電平時,高壓輸出端與地相連,與直流高壓斷開,陽極高壓為0 V。在輸出端中,陽極高壓為交流高壓電源,其波形為方波,這樣就解決了陽極脈沖高壓上沖和拖尾問題。

2.2 陣列探測器設(shè)計

為提高儀器的縱向分辨率,參考關(guān)于多探測器中子測井儀探測器陣列的設(shè)計方法[6],設(shè)計了近、中、遠3組超熱中子探測器;為測量熱中子壽命,設(shè)計了1組熱中子探測器。熱中子探測器為3He管,超熱中子探測器為在外側(cè)包裹一層熱中子吸收層的3He管?？紤]到熱中子壽命的源距范圍,確定4組探測器源距由小到大依次為近超熱中子探測器、中超熱中子探測器、熱中子探測器、遠超熱中子探測器。由于超熱中子探測深度淺,受井內(nèi)流體的影響大,所以采用了貼井壁測量方式,能更真實獲取地層信息。近超熱中子探測器主要功能是用于比值孔隙度測量和中子發(fā)生器工作效率檢測,采用屏蔽體全包圍結(jié)構(gòu)。中超、遠超及熱中子探測器均采用屏蔽體半包圍結(jié)構(gòu),中超探測器為增加計數(shù)及防信號堆積采用雙3He管并列結(jié)構(gòu)。在確定探測器基本結(jié)構(gòu)后,設(shè)計難點就是3He管尺寸、氣壓選擇以及超熱中子探測器屏蔽層和探測器骨架屏蔽體材料選擇。從探測效率和質(zhì)量上看,英國Centronic公司的3He管較強,該公司生產(chǎn)的3He管直徑標準尺寸有0.75、1、1.5 in[注]非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同等。3He管氣壓越高、體積越大其探測效率越高,所以選取3He管時盡量選取可用最大直徑,長度要考慮源距因素。確定近超3He管直徑1 in,長度11.6 cm,中超及熱中子3He管直徑1 in,長度7.4 cm,遠超3He管直徑為1.5 in,長度183 cm。遠超探測器體積大,氣壓采用0.8 MPa;其余探測器均采用1 MPa。

3 孔隙度校正方法

由于比值孔隙度受井眼影響小,陣列中子孔隙度采用近/中或近/遠孔隙度為標準孔隙度,超熱中子壽命孔隙度用于校正計算。對孔隙度的校正方法采用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法。MCNP程序是美國Los Almos實驗室研制的有關(guān)中子、光子輸運的通用蒙特卡羅方法計算程序,可計算各種類型探測器的效率,能精確考慮探測器的結(jié)構(gòu)和尺寸,不需要做結(jié)構(gòu)簡化和近似處理,所得結(jié)果較精確[7]。

建立標準井模型,主要包括源倉、近、中、遠超熱中子探測器、熱中子探測器、地層、水泥環(huán)、套管、井眼等結(jié)構(gòu)。模型的地層高為150 cm,圓柱狀地層的半徑為11.4～62.4 cm。儀器直徑為3.5 in,貼井壁放置。套前模型無套管和水泥環(huán);套后模型套管直徑分別為5.5 in和7.5 in,其壁厚為0.772 cm,水泥環(huán)厚度分別為3、4.7、5.5 cm。源倉發(fā)射能量為14 MeV的脈沖中子。4類探測器均為3He計數(shù)管,分別為近超熱中子探測器、中超熱中子探測器、熱中子探測器、遠超熱中子探測器。

3.1 比值孔隙度的巖性校正

孔隙度相同但巖性不同的地層,超熱中子的計數(shù)不同,對超熱中子比值孔隙度影響更大。中子孔隙度測井儀通常以石灰?guī)r孔隙度為標準進行刻度,記錄的孔隙度是石灰?guī)r孔隙度,要計算砂巖、白云巖的孔隙度要以石灰?guī)r孔隙度為標準進行巖性校正。以目的層鉆頭尺寸為21.5 cm、地層巖性石灰?guī)r的裸眼井模型為例,應(yīng)用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法分別對砂巖和白云巖的視近/中比孔隙度、視近/遠比孔隙度進行校正,校正圖版如圖1所示?？梢娫谠撃Ｐ拖碌貙诱鎸嵖紫抖认嗤瑫r砂巖的視比值孔隙度比石灰?guī)r小,在地層真實孔隙度40%～50%區(qū)間差值最大。在該模型下地層真實孔隙度相同時白云巖的視比值孔隙度比石灰?guī)r大,在地層真實孔隙度約50%時差值最大。

圖1 比值孔隙度的巖性校正圖版

3.2 比值孔隙度的間隙校正

以選擇縱向分辨率匹配的比值孔隙度和超熱中子壽命孔隙度為原則,以套管直徑為5.5 in、水泥環(huán)厚度為3 cm、水泥環(huán)密度為1.9 g/cm3、井液密度為1.6 g/cm3為例,應(yīng)用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法對比間隙對近/中孔隙度和中超壽命孔隙度的影響。結(jié)果顯示近/中孔隙度受間隙影響小,對比之下中超熱中子壽命孔隙度受間隙影響很大。所以應(yīng)用中超熱中子壽命孔隙度可以對近/中孔隙度進行有效的間隙影響補償?；谝陨夏Ｐ?得到近/中孔隙度的間隙校正圖版如圖2所示。

圖2 近/中孔隙度的間隙校正圖版

3.3 套后測井比值孔隙度的水泥環(huán)校正

建立的套后刻度井模型中,水泥環(huán)密度設(shè)定為1.6、1.9 g/cm3。通過蒙特卡羅數(shù)值模擬方法,得到若干水泥環(huán)厚度和密度的校正圖版,測井時進行實時插值處理得到校正后的孔隙度值。以目的層鉆頭尺寸21.5 cm、套管直徑5.5 in、水泥環(huán)密度1.87～1.89 g/cm3為例,近/遠孔隙度校正選用的圖版為套管直徑5.5 in、水泥環(huán)密度1.9 g/cm3(見圖3)。

圖3 孔隙度水泥環(huán)校正圖版

根據(jù)圖3,對應(yīng)0、5%、…、40%孔隙度的9條校正曲線近似滿足線性關(guān)系

y=kx+b

(4)

式中,橫坐標x代表視孔隙度;縱坐標y代表水泥環(huán)厚度;k、b分別代表每條曲線對應(yīng)的系數(shù),cm;視孔隙度大于40%的均按照40%處理;對近/遠孔隙度進行校正時,視孔隙度小于等于2.5%時采用對應(yīng)0孔隙度的校正曲線k值,視孔隙度范圍在2.5%～7.5%時采用對應(yīng)5%孔隙度的校正曲線k值,后面以此類推。在圖版模型下,水泥環(huán)厚度約為3.77 cm,其與視孔隙度φa、地層真實孔隙度φ0滿足關(guān)系

(5)

于是得到對應(yīng)水泥環(huán)厚度為3.77 cm時的地層真實孔隙度校正公式

(6)

3.4 孔隙度的放射源強度校正

在高計數(shù)率的中子探測場合,探測器輸出的相鄰脈沖信號時常會出現(xiàn)部分或全部重合的情況(稱為脈沖堆積)[8]。解決脈沖堆積的傳統(tǒng)方案是采用堆積拒絕電路方法[9],直接摒棄堆積的脈沖,但限制了系統(tǒng)的脈沖通過率,同時增加了系統(tǒng)間歇時間[10]。陣列中子孔隙度測井儀除了一個用于計算地層宏觀俘獲截面的熱中子探測器外,其他4個探測器均為超熱中子探測器,探測效率要低于熱中子探測器。通過堆積拒絕電路方法獲得的超熱中子計數(shù)會更低,這樣就滿足不了測量精度和測速要求。并且對于不同源距、不同尺寸及氣壓的3He管來說,同一個放射源所產(chǎn)生的堆積脈沖程度也是不一樣的。具體表現(xiàn)就是源距越小的探測器堆積越嚴重,當放射源強度變化時會明顯改變各探測器的堆積程度。中子發(fā)生器工作狀態(tài)變化對放射源強度有很大影響,源強變化時各探測器的堆積程度也會發(fā)生變化,進而引起比值孔隙度發(fā)生變化。

中子管外圍電路由離子源電路和靶壓系統(tǒng)電路組成,離子源電路包括中子管陽極脈沖高壓電路和鈦絲供電電路。陽極脈沖高壓電路工作周期和脈沖幅度都是固定的,對中子源強度沒有影響。陣列中子孔隙度測井儀在某刻度井每個孔隙度地層140 V靶壓左右時都對離子源電路電離幅度430±20 mV范圍進行孔隙度測量,結(jié)果顯示近/遠孔隙度變化范圍不超過1%孔隙度,中子發(fā)生器正常工作時電離幅度波動范圍要小于20 mV,因此認為測井時中子管電離幅度設(shè)定好后對中子源強度沒有影響。那么在離子源電路穩(wěn)定的情況下,對中子源強度起決定性因素就是靶壓的幅度。

經(jīng)對試驗數(shù)據(jù)的分析和整理,地層真實孔隙度、視近/遠孔隙度、實時靶壓間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。以140 V為標準靶壓值,獲得地層真實孔隙度與視比值孔隙度存在對應(yīng)關(guān)系

(7)

式中,U為實時靶壓;φa為視孔隙度;φ0為地層真實孔隙度。

隨著使用時間的延長,中子管內(nèi)鈦絲、靶極含氣量逐漸降低,在靶壓和電離幅度不變的情況下中子產(chǎn)額會越來越低,比值孔隙度刻度系數(shù)會相應(yīng)變化,需要對中子管定期進行刻度。

4 現(xiàn)場試驗及效果

陣列中子孔隙度測井儀在大慶油田進行了現(xiàn)場試驗。實際測井數(shù)據(jù)證明,該儀器的測量精度、縱向分辨率、重復(fù)性、一致性均達到了設(shè)計要求。無論是完井還是套管井均有良好的重復(fù)性,套后和完井主測曲線也有非常好的一致性,縱向分辨率達到0.5 m,所得孔隙度與完井補償中子孔隙度的相對誤差<6%。

5 結(jié) 論

(1)陣列中子孔隙度測井儀中子發(fā)生器和陣列中子探測器采用快慢工作模型,保證了儀器工作穩(wěn)定性和測量精度,從現(xiàn)場試驗結(jié)果看儀器具有良好的重復(fù)性。

(2)套管水泥環(huán)、放射源強度等因素對孔隙度影響校正的應(yīng)用,實現(xiàn)了套前、套后孔隙度的精確測量。

(3)通過現(xiàn)場試驗,陣列中子孔隙度測井儀與補償中子、高分辨率聲波、密度、微電位、微球等儀器對比巖性反映一致?？v向精度達到0.5 m,完井、套后陣列中子孔隙度與完井補償中子孔隙度的相對誤差<6%,準確地反映了地層孔隙度信息。

(4)陣列中子孔隙度不受地層水礦化度影響,讓陣列中子孔隙度測井儀在老井孔隙度資料補全方面相比于熱中子孔隙度儀器有著明顯優(yōu)勢。