電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器及相應方法
【專利摘要】本發明涉及電纜測井用氘?氘可控源補償中子測井儀器及相應方法。該測井儀器包括：氘?氘中子源，向地層發射快中子；針對氘?氘中子源的中子探測器，用于探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號，包括離中子源距離較遠的長源距氦?3中子探測器和離中子源距離較近的短源距氦?3中子探測器，其中源距及響應關系針對氘?氘中子源的中子能量和角分布而設置且其氣壓和大小針對氘?氘中子源的中子能量被設置；以及信號處理器，對所探測的信號進行預處理，并基于來自中子源的實時反饋而實時控制中子源的參數本發明采用氘?氘型中子源，從根本上避免傳統化學源、裝卸源、運輸、卡源等對人和環境的危害并且降低了環保成本。
【專利說明】
電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器及相應方法
技術領域
[0001]本發明主要涉及電纜測井，更具體地涉及用于探測地層孔隙度和識別地層巖性的電纜測井用測井儀器和方法。【背景技術】
[0002]在核測井系列中，補償中子測井是有效的確定儲層孔隙度，識別地層巖性的關鍵測井手段。傳統的補償中子測井儀器多使用Am-Be或Pu-Be強同位素化學中子源，發射的快中子被地層氫核散射后損失能量后，被兩個不同源距的探測器探測，根據記數率的比值得到地層含氫指數，從而得到儲集層的孔隙度。
[0003]隨著石油行業HSE成本急劇上升，“無源測井”呼聲強烈，美國國家科學院在其 2008年度的有關輻射源的使用與替換的專題報告中強調對化學放射源的更加嚴格的限制。 在中國2005年12月1日國務院第449號令《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》 開始施行。放射性測井必須全面、優先加強和完善HSE體系建設。
【發明內容】

[0004]為了解決上述問題，本發明提供了一種電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器及相應方法，用于通過電纜測井來測量地層孔隙度。
[0005]根據本發明的一個方面，提供了一種電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器，包括:氘-氘2.5MeV中子源，用于向地層發射快中子；針對氘-氘2.5MeV中子源的中子探測器，用于探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號，其中所述中子探測器包括離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較遠的長源距氦-3中子探測器和離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較近的短源距氦-3中子探測器，其中所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦-3 中子探測器的源距及響應關系針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量和角分布而設置以達到最佳的地層孔隙度分辨率，并且所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦-3中子探測器的氣壓和大小針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量被設置以達到最佳的探測效率；以及信號處理器，用于對所探測的信號進行預處理，并且基于來自氘-氘2.5MeV中子源的實時反饋而實時控制氘-氘2.5MeV中子源的參數。此外，所述測井儀器還設置有針對氘-氘 2.5MeV中子源的中子能量和角分布進行優化的前屏蔽體和隔離屏蔽體，以阻擋軸向中子的探測。
[0006]根據本發明的另一方面，提供了一種電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井方法，包括:通過氘-氘2.5MeV中子源向地層發射快中子；通過中子探測器來探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號，其中所述中子探測器包括離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較遠的長源距氦-3中子探測器和離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較近的短源距氦-3 中子探測器，其中所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦-3中子探測器的源距及響應關系針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量和角分布而設置以達到最佳的地層孔隙度分辨率，并且所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦-3中子探測器的氣壓和大小針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量被設置以達到最佳的探測效率；以及通過信號處理器對所探測的信號進行預處理，并且基于來自氘-氘2.5MeV中子源的實時反饋而實時控制氘-氘 2.5MeV中子源的參數。
[0007]本發明采用氘-氘型中子源，可從根本上避免傳統化學源、裝卸源、運輸、卡源等對人和環境的危害，并且降低了環保成本。
[0008]本發明充分利用一支可實時監控、控制的氘-氘反應加速器中子源，一對中子探測器，包括一個長源距氦-3探測器和一個短源距氦-3探測器，以及屏蔽體，配合前放、高壓、處理等電路，通過一對探測器計數的比值，經過環境校正，得到地層的孔隙度。【附圖說明】
[0009]為了更清楚地說明本發明的原理，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中:圖1示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器的功能框圖。
[0010]圖2示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井原理框圖。
[0011]圖3示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器的剖面圖。
[0012]圖4示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井方法。 【具體實施方式】
[0013]以下闡述的實施例表示使得本領域技術人員能夠實現本發明的必要信息。在根據附圖閱讀說明書之后，本領域的技術人員將理解本發明的原理，并將意識到這些原理的應用并不特定于此處所述。應該理解，這些原理和應用落入本公開和所附權利要求書的范圍內。
[0014]本發明采用氘-氘中子發生器來取代目前的Am-Be或Pu-Be同位素中子源。氘-氘中子發生器可相當于一個小型加速器，當其處于工作狀態時即可產生2.5MeV的快中子，在測井結束后不供電時則不會有放射性射線產生，從根本上克服了化學源的各種缺點。此外， 本發明能夠基于中子源的反饋來調節中子源的參數以便更好地實現測井目的。
[0015]現結合附圖來對本發明作進一步描述。
[0016]參照附圖1，圖1示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井儀器10的功能框圖。該氘_氘可控源補償中子測井儀器10包括氘-氘2.5MeV中子源 12、針對氘-氘2.5MeV中子源的中子探測器14和信號處理器18。所述氘-氘2.5MeV中子源12例如可以是氘-氘反應加速器中子源，并且例如以脈沖方式向地層發射快中子。所述中子探測器14探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號，以便例如對熱中子數進行計數。所述信號處理器18對所探測到的信號進行預處理以發送到地面計算機進行進一步處理，并且基于來自氘-氘2.5MeV中子源的實時反饋而實時發送控制命令至氘-氘2.5MeV 中子源以調節氘-氘2.5MeV中子源的參數，其中該信號處理器18例如可以通過處理器、微處理器、可編程邏輯器件等實現。
[0017]優選地，所述氘-氘可控源補償中子測井儀器10還包括前置放大器16,用于放大由中子探測器14所探測的熱中子信號并且將經放大的信號發送到信號處理器18。所述前置放大器16例如可以包括電荷靈敏和微分放大電路、比較甄別電路、脈沖整形電路等(未示出)。
[0018]優選地，所述中子探測器14包括離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較遠的長源距氦-3中子探測器和離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較近的短源距氦-3中子探測器(未示出)，所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦_3中子探測器有助于測量熱中子計數率的比值以反映地層中的含氫指數，經過環境校正，得到地層的孔隙度，其中所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦-3中子探測器的源距及響應關系針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量和角分布而設置以達到最佳的地層孔隙度分辨率，并且所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦-3中子探測器的氣壓和大小針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量被設置以達到最佳的探測效率。相應地，前置放大器16包括分別用于長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器的第一路前置放大電路和第二路前置放大電路(未示出)，并且每一路前置放大電路都包括各自的電荷靈敏和微分放大電路、比較甄別電路、脈沖整形電路等。
[0019]優選地，在所述氘-氘可控源補償中子測井儀器10中，在所述氘-氘2.5MeV中子源距離與短源距氦-3中子探測器之間以及在所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3 中子探測器之間都放置屏蔽體用于中子屏蔽，以減少所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器受到儀器內部中子的影響，從而更好地反映地層孔隙性質。
[0020]優選地，氘-氘2.5MeV中子源的電壓、粒子源束流、占空比中的至少一個能夠被反饋并調節。
[0021]參考圖2,圖2示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器200的原理框圖。在圖2中，201為針對氘-氘2.5MeV中子源的短源距氦-3中子探測器，202為針對氘-氘2.5MeV中子源的長源距氦-3中子探測器，其中源距及響應關系針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量和角分布而設置以達到最佳的地層孔隙度分辨率，并且氦-3中子探測器的氣壓和大小針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量被設置以達到最佳的探測效率，203為前置放大器(例如包括用于短源距氦-3中子探測器201的第一路前置放大電路和用于長源距氦-3中子探測器202的第二路前置放大電路，其中第一路前置放大電路例如包括電荷靈敏和微分放大電路204、比較甄別電路205、脈沖整形電路206,并且第二路前置放大電路例如包括電荷靈敏和微分放大電路207、比較甄別電路208、脈沖整形電路209)，210為通過例如主控電路板所實現的信號處理器(例如包括FPGA電路211、MCU 電路212、用于提供例如所需的3.3V和1.5V電壓的供電電路213)，214為通訊板，215為可控氘-氘2.5MeV中子源，其能夠向主控電路板反饋其參數并且接受主控電路板的控制， 216為高壓電源(例如提供可控中子源所需的高壓1450V和1350V)，217為高壓分壓電路(例如分壓得到6V電壓)，218為供電電源模塊(例如提供前放電路、通訊板和主控電路所需的 +12V，-12V，+5V，-9V電壓，以及可控中子源所需的+50V，+15V電壓)，219為井下總線。本領域技術人員應該意識到，以上所提到的具體數值僅僅是出于說明目的，而非意在將本發明限制于此。
[0022]在儀器工作時，可控氘-氘2.5MeV中子源215向地層發射快中子，短源距氦-3中子探測器201和長源距氦-3中子探測器202探測到信號，同時通過高壓電源216所輸出的 1450V和1340V高壓，然后通過前置放大器203,得到可測量信號以輸入至主控電路板210 中，最后通過通訊板214傳至PC機。主控電路板210在將所采集的信號發送到PC機之前對信號進行預處理，同時主控電路板210接收來自可控氘-氘2.5MeV中子源215的包括其當前各個參數的反饋信號并且基于該反饋信號對可控氖-氖2.5MeV中子源215進行控制， 從而調節可控氘-氘2.5MeV中子源215的高壓、束流，占空比等參數。
[0023]參考圖3,圖3示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器300的剖面圖。該氘-氘可控源補償中子測井儀器整體上呈圓柱體。遠端探測器110、 近端探測器114和中子管122等器件布置在圓柱體的殼體內。中子管122為氘-氘2.5MeV 中子源，其被布置于氘-氘可控源補償中子測井儀器的前端用于向地層發射快中子。分別用作長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器的遠端探測器110、近端探測器114 被沿著縱軸方向布置，并且遠端探測器110比近端探測器114更遠離中子管122。
[0024]優選地，該氘-氘可控源補償中子測井儀器例如還包括中子上接頭102、上接頭墊塊103、高壓模塊護蓋104、電子線路骨架105、底部探頭護套上端頭106、遠端探測器左膠環 107、底部探頭護套108、探頭護套蓋109、遠端探測器右膠環111、隔離屏蔽體112、近端探測器左膠環113、近端探測器右膠環115、前屏蔽體116、近端屏蔽體右膠環117、0.5_墊片 118、探頭護套蓋端頭119、底部探頭護套下端頭120、中子管外殼121、中子管膠環123、變壓器骨架下接頭124等部件，這些部件如圖3所示的那樣布置以用于對相應元件進行固定和保護。并且該氘-氘可控源補償中子測井儀器例如還包括常壓31芯插座101、常壓31芯插頭125以用于提供電源接口。其中上述屏蔽體是針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量和角分布進行優化的以阻擋軸向中子的探測。
[0025]在如圖1-3所示的根據本發明實施例的氘-氘可控源補償中子測井儀器中，針對利用氘-氘中子源時所帶來的中子能譜、強度和角分布的改變，對儀器的幾何材料、探測系統、儀器的響應、校正解釋、電子線路部分等進行全新設計和實現，從而提供了可控源補償中子測井儀器的全套解決方案。
[0026]參考圖4,圖4示出根據本發明的實施例的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井方法400。該方法400包括:在步驟401，通過氘-氘2.5MeV中子源向地層發射快中子，例如所述氘-氘2.5MeV中子源可以以脈沖方式向地層發射快中子。
[0027]在步驟402,通過針對氘-氘2.5MeV中子源的中子探測器來探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號，其中所述中子探測器包括離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較遠的長源距氦-3中子探測器和離所述氘-氘2.5MeV中子源距離較近的短源距氦-3中子探測器，其中所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦_3中子探測器的源距及響應關系針對氘-氘2.5MeV中子源的中子能量和角分布而設置以達到最佳的地層孔隙度分辨率，并且所述長源距氦-3中子探測器和所述短源距氦_3中子探測器的氣壓和大小針對氘-氘 2.5MeV中子源的中子能量被設置以達到最佳的探測效率。
[0028]在步驟403,通過信號處理器對所探測的信號進行預處理以發送到地面計算機進行進一步處理，并且基于來自氘-氘2.5MeV中子源的實時反饋由信號處理器實時地發送控制命令至氖-氖2.5MeV中子源以調節氖-氖2.5MeV中子源的參數。優選地，氖-氖2.5MeV中子源的電壓、粒子源束流、占空比中的至少一個能夠被反饋并調節。
[0029]優選地，通過中子探測器來探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號的步驟 402進一步包括:通過所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器來測量熱中子計數率的比值以例如反映地層中的含氫指數，然后經過環境校正，得到地層的孔隙度。
[0030]應該理解的是，以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案。盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，但是本領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，而所附權利要求意在涵蓋落入本發明精神和范圍中的這些修改或者等同替換。
【主權項】
1.一種電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井儀器，包括:氘-氘中子源，用于向地層發射快中子；針對氘-氘中子源的中子探測器，用于探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號， 其中所述中子探測器包括離所述氘-氘中子源距離較遠的長源距氦-3中子探測器和離所 述氘-氘中子源距離較近的短源距氦-3中子探測器，其中所述長源距氦_3中子探測器和 短源距氦-3中子探測器均針對氘-氘中子源的中子能量和角分布進行優化；以及信號處理器，用于對所探測的信號進行預處理，并且基于來自氘-氘中子源的實時反 饋而實時控制氘-氘中子源的參數。2.根據權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井儀器，還包括:前置 放大器，用于放大由中子探測器所探測的熱中子信號并且將經放大的信號發送到信號處理器。3.根據權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井儀器，其中所述長源 距氦-3中子探測器和短源距氦_3中子探測器用于測量熱中子計數率的比值以反映地層中 的含氫指數。4.如權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井儀器，其中所述長源距 氦-3中子探測器和短源距氦_3中子探測器的源距及響應關系針對氘-氘中子源的中子能 量和角分布而設置，并且所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦_3中子探測器的氣壓和 大小針對氘-氘中子源的中子能量被設置。5.如權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井儀器，其中在所述 氘-氘中子源距離與短源距氦-3中子探測器之間以及在所述長源距氦_3中子探測器和短 源距氦-3中子探測器之間都放置針對氘-氘中子源的中子能量和角分布進行優化的屏蔽 體。6.如權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井儀器，其中所述參數包 括電壓、粒子源束流、占空比中的至少一個。7.—種電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井方法，包括:通過氘-氘中子源向地層發射快中子；通過針對氘-氘中子源的中子探測器來探測經地層減速后散射回井眼的熱中子信號， 其中所述中子探測器包括離所述氘-氘中子源距離較遠的長源距氦-3中子探測器和離所 述氘-氘中子源距離較近的短源距氦-3中子探測器離所述氘-氘中子源距離較遠的長源 距氦-3中子探測器和離所述氘-氘中子源距離較近的短源距氦_3中子探測器，其中所述 長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器均針對氘-氘中子源的中子能量和角分 布進行優化；以及通過信號處理器對所探測的信號進行預處理，并且基于來自氘-氘中子源的實時反饋 而實時控制氘-氘中子源的參數。8.根據權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井方法，其中所述方法 還包括:通過所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器來測量熱中子計數率 的比值以反映地層中的含氫指數。9.如權利要求1所述的電纜測井用氘_氘可控源補償中子測井方法，其中所述長源距 氦-3中子探測器和短源距氦_3中子探測器的源距及響應關系針對氘-氘中子源的中子能量和角分布而設置，并且所述長源距氦-3中子探測器和短源距氦-3中子探測器的氣壓和 大小針對氘-氘中子源的中子能量被設置。10.如權利要求1所述的電纜測井用氘-氘可控源補償中子測井方法，其中所述參數包 括電壓、粒子源束流、占空比中的至少一個。
【文檔編號】E21B49/00GK105986812SQ201510077409
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發明人】裴宇陽, 白慶杰, 王威, 閆俊杰
【申請人】中國石油集團長城鉆探工程有限公司