多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及石油钻井工程的技术领域，尤其涉及一种多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法。

背景技术：

随钻中子孔隙度测量是利用中子与地层的相互作用，获取地层孔隙度参数的随钻测量方法，其装置通过所携带的中子源向周围地层发射高能快中子，实时测量中子经过与地层各元素原子核的相互作用(包括非弹性散射、弹性散射、辐射俘获、活化等)后的能量及强度变化，从而获取地层的孔隙度及其他岩性参数。

早期的中子孔隙度测量技术主要应用于电缆测井中，随后逐渐发展到随钻测井中，其中子源主要分为同位素中子源和加速器中子源，其中同位素中子源存在着卡钻难打捞、辐射安全等问题，不利于复杂而特殊的随钻条件。从上世纪90年代起，各大油服公司均研制出了基于加速器中子源的随钻孔隙度测量仪器，更加安全和高效，并不断加大研究投入。

在现有技术中，一种随钻可控源中子测井方法及仪器用于在矿化度相对较低的地层中实现对所测地层含水饱和度和孔隙度的测量，实时测量井眼周围地层孔隙度与热中子宏观俘获截面参数。其探测单元主要有长源距探测器和短源距探测器构成，用于接收由地层散射至井眼中的热中子。然而该装置在复杂工况下进行随钻中子孔隙度测井作业时，受中子发生器输出中子数量、井孔参数及地层环境的影响，无法实时判断测量数据的真实性与准确性。

在另一种方位中子孔隙度随钻测量装置中，采用加速器中子源、快中子监测单元及分布于钻铤壁靠近地层圆周上的近、远中子探测器构成。该技术的装置兼顾随钻测量的旋转和滑行两种工作状态，可进行方位中子孔隙度测量。但该装置中由于近、远探测器相对于中子发生器的源距固定，无法同时满足探头灵敏度与数据精度的要求。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种多源距随钻中子孔隙度测量装置，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法，克服现有技术中的不足之处，能在复杂地质条件下兼顾探测仪器的灵敏度及数据精度，还能有效降低测量结果受井孔参数、振动、冲击及测量数据随机波动的影响，解决现有技术中存在的问题和局限，实现地层孔隙度参数的准确获取。

为解决上述问题，本发明公开了一种多源距随钻中子孔隙度测量装置，包括无磁钻铤、中子发射单元、快中子监测单元、热中子探测单元及控制单元，其特征在于：

所述中子发射单元包含多个加速器中子源，所述加速器中子源沿轴向固定在泥浆通道的内壁上，各加速器中子源的中子源靶端指向钻头方向，每个加速器中子源均配备独立的供电电路及控制电路，在测量作业时，可选择性的开启其中的1个、2个及4个加速器中子源以分别对应方位孔隙度测量模式、节能或全功率平均孔隙度测量模式；

所述快中子监测单元包含多组快中子监测器组，所述多组快中子探测器组沿轴向间隔设置的固定在泥浆通道内壁上，每个快中子探测器组均包含4个快中子探测器，各组的4个快中子探测器在相同高度均布于泥浆通道1内壁，而每个快中子探测器均独立计数及存储；

所述热中子探测单元包含多组热中子探测器组，所述多组热中子探测器组沿轴向固定在钻铤的外壁上，其中，所述多组热中子探测器组的数量和设置高度与多组快中子监测器组一一对应，所述每个热中子探测器组均包含4个热中子探测器，每组的4个热中子探测器在相同高度均布于钻铤的外壁，每个探测器独立计数，其测量结果作为计算中子孔隙度的依据；

所述控制单元分别连接至中子发射单元、快中子监测单元和热中子探测单元，以将快中子监测单元及热中子探测单元测量得到的电信号转化为中子孔隙度参数，然后将置于井下存储模块或上传至地面供作业工程师实时调整井眼轨迹。

其中：所述控制单元包括：电源变换及供电电路、快中子探测器信号处理及计数电路、热中子探测器信号处理及计数、工程参数处理电路和cpu控制及处理电路。

其中：多组快中子监测器组包含4组快中子监测器组，所述4组快中子监测器组与加速器中子源的距离由近及远间隔设置，所述多组热中子探测器组包含4组热中子探测器组，4组热中子探测器组的设置高度与4组快中子监测器组一一对应。

其中：还包含中子屏蔽结构，所述中子屏蔽结构设置于多组快中子监测器组的内侧以阻止中子沿泥浆通道从仪器内进入热中子探测单元以及阻止地层返回的中子进入快中子监测器组，保证快中子探测器仅接收未经地层减速而直接来自中子源并沿泥浆通道传输的中子。

其中：所述中子屏蔽结构采用内层为重元素、外层为轻元素的复合屏蔽结构。

如上所述的多源距随钻中子孔隙度测量装置的测量方法，其包含如下具体步骤：

步骤一：根据实际情况及测量环境，开启其中的1个、2个或4个中子源，对应不同的测量模式，开启1个中子源时对应方位孔隙度测量模式，开启2或4个中子源时对应节能或全功率平均孔隙度测量模式；

步骤二：控制单元分别接收快中子监测单元以及热中子探测单元的检测信号，并根据如下公式得到快中子和热中子的信息；

快中子：

热中子：

其中r为源距，de是快中子的扩散系数，dt是热中子的扩散系数，le，lt分别为快中子的减速长度和热中子的扩散长度；

根据探测点的中子通量密度，若热中子探测器的转换效率为kt，快中子探测效率为ke，则热/快中子探测器的计数率分别为：

快中子：

热中子：

同一时间测得热中子记数；

步骤三：在不同的测量模式对数据进行处理。

其中：

在步骤二中同一时间测得4个热中子记数，即nt(ra)、nt(rb)、nt(rc)、nt(rd)；

在步骤三中依据如下测量模式进行处理：

(1)停钻测量时，4个数据进行两两配对计算中子孔隙度数值，即nt(ra)/nt(rb)、nt(ra)/nt(rc)、nt(ra)/nt(rd)、nt(rb)/nt(rc)、nt(rb)/nt(rd)、nt(rc)/nt(rd)，并通过反演算法得到对应的6个对应地层不同位置的中子孔隙度数值；

(2)旋转钻进时，由于仪器受振动和冲击的影响，测量数据的随机扰动变大，选择[nt(ra)+nt(rb)]/[nt(rc)+nt(rd)]作为中子孔隙度计算的依据，减小复杂工况对测量数据的影响，保证在实时钻井测量时的数据准确度。

通过上述结构可知，本发明的多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法具有如下效果：

1、通过多源距热中子测量及快中子监测，可校正和补偿中子输出变化、井下工具振动、冲击等对测量探测器的影响；

2、通过多源距测量数据的组合，兼顾了中子孔隙度测量灵敏度及精度的需求，能够准确获取原状地层的地质信息，在我国目前勘探开发环境日趋复杂化的状况下，能够适应复杂地质条件并在复杂工况下准确地实现地层实时评价，具有极大的价值和意义。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的多源距随钻中子孔隙度测量装置的安装示意图。

图2为图1中4-4处的断面图，为加速器中子源的在泥浆通道中的位置；

图3为图1中7-7处的断面图，为快中子监测器及慢中子探测器的在钻铤中的位置；

图4为多源距随钻中子孔隙度测量装置电子电路单元原理示意图；

图5为加速器中子源靶端与热/快中子探测器在仪器中的相对位置示意图。

具体实施方式

参见图1至图5，显示了本发明的多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法。

其中所述多源距随钻中子孔隙度测量装置可包括无磁钻铤2、中子发射单元、快中子监测单元、热中子探测单元及控制单元，通过该些单元的组合，本申请的多源距随钻中子孔隙度测量装置可在井下通过预先设定的程序根据不同的工况将探测数据转化为中子孔隙度结果。

其中，所述中子发射单元可包含多个加速器中子源3，多个加速器中子源3在相同高度沿一定角度间隔的设置于泥浆通道1内壁，所述多个加速器中子源3均具有高压供电电路，在图1和图2所示的实施例中，所述加速器中子源3沿轴向固定在泥浆通道1的内壁上，各加速器中子源的中子源靶端10指向钻头方向，其中，中子发射单元可包含4个加速器中子源3，所述4个加速器中子源3在相同高度等距间隔的设置于泥浆通道1内壁，如图2的截面图所示，每个加速器中子源3均配备独立的供电电路及控制电路，在测量作业时，可根据实际情况及测量环境，选择性的开启其中的1个、2个及4个加速器中子源3，对应不同的测量模式，如仅开启1个加速器中子源3时对应方位孔隙度测量模式，开启2或4个加速器中子源3时分别对应节能或全功率平均孔隙度测量模式。同时，由于加速器中子源与化学源不同，其中子产额随时间和温度发生变化，在每次开启加速器中子源3测井作业前，可预先设定4个加速器中子源3轮流开启程序，通过快中子监测装置观察各中子源的输出是否均衡及稳定，预诊断中子源故障。

所述快中子监测单元包含多组快中子监测器组，所述多组快中子探测器组沿轴向间隔设置的固定在泥浆通道1内壁上，其中，在图示实施例中，优选的包含4组快中子监测器组6a、6b、6c、6d，所述4组快中子探测器组沿轴向固定在泥浆通道1的内壁上，如图1所示，各组快中子监测器组与加速器中子源的距离(源距)由近及远间隔设置，其中，每个快中子探测器组均包含4个快中子探测器，各组的4个快中子探测器如图3所示在相同高度均布于泥浆通道1内壁，而每个快中子探测器均独立计数及存储。从而能进行中子测量作业时，所有快中子探测器需全部开启，其测量数据用于标定及补偿热中子探测器的测量结果。在进行反演计算时，可优选各组快中子监测数据及配以特定的参数代入计算模型中，其优选原则由实时工程参数及测量模式决定，在本实施例中子孔隙度计算方法的内容中具体描述。还可包含中子屏蔽结构8，所述中子屏蔽结构8设置于多组快中子监测器组的内侧，其作用主要有两条：①阻止中子沿泥浆通道从仪器内进入热中子探测单元，保证热中子探测器仅接收来自地层的中子；②阻止地层返回的中子进入4组快中子监测器组，保证快中子探测器仅接收未经地层减速而直接来自中子源并沿泥浆通道传输的中子。因此该屏蔽结构需同时满足快中子及热中子的屏蔽要求，一种可选方案为采用内层为重元素、外层为轻元素的复合屏蔽结构。

所述热中子探测单元包含多组热中子探测器组，所述多组热中子探测器组沿轴向固定在钻铤的外壁上，其中，所述多组热中子探测器组的数量和设置高度与多组快中子监测器组一一对应，其中，在图示实施例中，所述多组热中子探测器组包含4组热中子探测器组5a，5b，5c，5d，4组热中子探测器组沿轴向固定在钻铤的外壁上，如图1所示，4组热中子探测器组的设置高度与4组快中子监测器组一一对应，即所述4组快中子监测器组6a、6b、6c、6d的源距同4组热中子探测器组5a，5b，5c，5d与中子源的轴向距离一一对应，如图5所示。

所述每个热中子探测器组均包含4个热中子探测器，如图3所示每组的4个热中子探测器在相同高度均布于钻铤的外壁。与快中子探测器相同，每个探测器独立计数，其测量结果作为计算中子孔隙度的依据，在进行反演计算时，同样根据工程参数及测量模式将热中子探测数据优选或全部代入计算模型中，具体计算方法在后续计算方法的内容中详述。

所述控制单元分别连接至中子发射单元、快中子监测单元和热中子探测单元，以将快中子监测单元及热中子探测单元测量得到的电信号转化为中子孔隙度参数，然后将置于井下存储模块或上传至地面供作业工程师实时调整井眼轨迹。所述控制单元包括：①电源变换及供电电路；②快中子探测器信号处理及计数电路；③热中子探测器信号处理及计数；④工程参数处理电路；⑤cpu控制及处理电路；⑥通信及存储电路。

本实施例中，由于快中子/热中子探测器组每组由4个探测器构成，一般地，将4个探测器的计数平均值作为该探测器组的计数代入计算模型。

本实施例中，选用了快中子探测器作为中子发生器产额变化的监测装置，亦可将距离中子源较远的监测器组更换为超热中子探测器作为可行方案，但由于超热中子较低的计数效率，需要对井眼影响做实时校正。

其中，由于中子的输运理论是描述大量中子与介质相互作用的规律，是中子与核发生相互作用过程的综合描述，而本发明中所描述多源距中子孔隙度测量符合该理论在点状源无限均匀介质中的扩散近似，对仪器所处地层的中子按能量分为快中子组和热中子组，从而能根据双群扩散进行测量。故如上所述的多源距随钻中子孔隙度测量装置的测量方法可包含如下具体步骤：

步骤一：根据实际情况及测量环境，开启其中的1个、2个或4个中子源，对应不同的测量模式，开启1个中子源时对应方位孔隙度测量模式，开启2或4个中子源时对应节能/全功率平均孔隙度测量模式；

步骤二：控制单元分别接收快中子监测单元以及热中子探测单元的检测信号，并根据如下公式得到快中子和热中子的信息；

快中子：

热中子：

其中r为源距，de是快中子的扩散系数，dt是热中子的扩散系数，le，lt分别为快中子的减速长度和热中子的扩散长度。

根据探测点的中子通量密度，若热中子探测器的转换效率为kt，快中子探测效率为ke，则热/快中子探测器的计数率分别为

快中子：

热中子：

本实施例中，热中子探测单元有4组热中子探测器组5a，5b，5c，5d，其源距为ra、rb、rc、rd，如图5所示，即同一时间通过该装置可测得4个热中子记数即nt(ra)、nt(rb)、nt(rc)、nt(rd)。

步骤三：在不同的测量模式，可选择不同的组合方式及优选方式对4个数据进行处理，(1)停钻测量时，4个数据进行两两配对计算中子孔隙度数值，即nt(ra)/nt(rb)、nt(ra)/nt(rc)、nt(ra)/nt(rd)、nt(rb)/nt(rc)、nt(rb)/nt(rd)、nt(rc)/nt(rd)，并通过反演算法可得到对应的6个对应地层不同位置的中子孔隙度数值；

(2)旋转钻进时，由于仪器受振动和冲击的影响，测量数据的随机扰动变大，选择[nt(ra)+nt(rb)]/[nt(rc)+nt(rd)]作为中子孔隙度计算的依据，可减小复杂工况对测量数据的影响，保证在实时钻井测量时的数据准确度。

本方法采用了不同源距的两组热中子探测器计数比值(如nt(ra)/nt(rb))作为中子孔隙度计算的依据，并且根据中子发生器的开启数量及位置、井下钻具组合工作状态，可提供如下6种地层孔隙度计算方法，如表1所示。

对停钻测量及旋转钻进时计算中子孔隙度数量的解释：

对于任何测量模式，4组源距不同的热中子探测器，均可测得4个中子计数nt(ra)、nt(rb)、nt(rc)、nt(rd)，根据前文所述，计算地层孔隙度时，需要采用两组计数的比值作为计算依据。

(1)停钻测量时，4个中子技术数据可进行两两配对计算中子孔隙度数值，即nt(ra)/nt(rb)、nt(ra)/nt(rc)、nt(ra)/nt(rd)、nt(rb)/nt(rc)、nt(rb)/nt(rd)、nt(rc)/nt(rd)，共得到6个比值，作为6个中子孔隙度的计算依据；

(2)旋转钻进时，由于仪器受振动和冲击的影响，测量数据的随机扰动变大，选择5a、5b两组探测器计数之和[nt(ra)+nt(rb)]、5c、5d两组探测器之和[nt(rc)+nt(rd)]的比值[nt(ra)+nt(rb)]/[nt(rc)+nt(rd)]作为中子孔隙度计算的依据，可减小复杂工况对测量数据的影响，保证在实时钻井测量时的数据准确度。

快中子计数ne(ra)、ne(rb)、ne(rc)、ne(rd)用于监测加速器中子源的中子产额稳定情况，并通过与下井前原始计数率的对比，可用于补偿和调整其对应源距的热中子探测器计数。而当快中子探测器的计数率发生较大波动时，即表示中子源产额极不稳定或井下仪器遇到突发情况，需及时停止作业，快中子监测计数恢复之前，该段测量均为无效作业。

由此，本发明多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法的优点在于：

(1)利用地面上位机及井下控制电路，实现对加速器中子源的开关控制，利用预先设定的程序，控制中子发生器发射中子的脉冲强度及宽度，以用于适应不同的测量模式；

(2)利用快中子探测器监测多个位置的快中子通量，监测结果可存储于井下存储单元，亦可通过通讯模块上传至地面上位机，该测量数据为后期地层孔隙度计算的重要参数；

(3)利用热中子探测器探测多个源距的热中子通量，本实施例中以沿轴向分布的4组探测器组为例说明该测量方法(即4个源距)，亦可根据实际情况，增加更多组的热中子探测器。

(4)根据不同的快中子及热中子探测器获取的数据，采用多组数据组合，可有效规避复杂地质条件及复杂工况对中子孔隙度测量灵敏度及精度的影响，得到准确的地层孔隙度计算结果。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。