一种扫描式放射性井径测量设备及方法与流程

本发明涉及一种利用核放射方法测量井径的测井设备，以及基于该测量设备的井径测量方法，属于矿场地球物理测井技术领域。

背景技术：

随着油气田勘探开发的不断深入，油气藏及储层参数的准确描述是制定油气田开发方案提高采收率和油气产量的关键，而地球物理测井是直接确定地层各参数的主要技术，其中井径测井数据是地应力分析、实时钻井监控、完井水泥体积估算、测井曲线校正、井壁冲刷评价以及储存划分等方面的重要依据。

目前，井径测量方法及设备主要有机械式多臂井径测井及非接触式声波井径测井。其中利用接触式机械多臂井径测量仪测井时，根据井径的变化使各方向的测量臂产生机械位移，井径数据由电缆传到地面进行记录，实现了多方位的井径测量，该仪器重量大，结构相对复杂。非接触式声波井径测量方法主要是通过测量声波脉冲经过泥浆到达井壁再返回过程的时间参数，结合声波在泥浆中传播速度，从而获得井径数据，因此非接触式声波井径测量方法的测量精度依赖于泥浆声速参数和井下环境，如泥浆阻抗、气泡、温度、压力等。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提供一种扫描式放射性井径测量设备，以及基于该设备的井径测量方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种扫描式放射性井径测量设备，包括1个伽马放射源、多个近伽马探测器和多个远伽马探测器，近伽马探测器和远伽马探测器的个数相等，近伽马探测器距离伽马放射源的距离小于远伽马探测器距离伽马放射源的距离；在伽马放射源处开设有多个伽马准直孔，所述伽马准直孔的个数和近伽马探测器或远伽马探测器的个数相等，每一伽马准直孔与一近伽马探测器和一远伽马探测器相匹配，且该伽马准直孔的出口位置与相匹配的近伽马探测器和远伽马探测器处于同一竖直平面。

优选的，所述多个近伽马探测器均位于仪器主体的同一横截面内，近伽马探测器的个数设置为2个、3个或4个，且当近伽马探测器设置2个时，近伽马探测器相互间隔为180°，当近伽马探测器设置3个时，相邻近伽马探测器相互间隔为120°，当近伽马探测器设置4个时，相邻近伽马探测器相互间隔为90°；所述多个远伽马探测器也均位于仪器主体的同一横截面内，相应的远伽马探测器的个数设置为2个、3个或4个，且当远伽马探测器设置2个时，远伽马探测器相互间隔为180°，当远伽马探测器设置3个时，相邻远伽马探测器相互间隔为120°，当远伽马探测器设置4个时，相邻远伽马探测器相互间隔为90°。

优选的，所述近伽马探测器或远伽马探测器分别置于仪器主体的侧向开槽中，并采用铍密封，近伽马探测器和远伽马探测器均采用NaI晶体。

优选的，所述伽马放射源为Cs-137伽马源，伽马射线能量为662KeV，源强1～2Ci；伽马放射源采用高密度金属屏蔽。

优选的，所述伽马准直孔直径为1.2～2.0cm；所述近伽马探测器长度为1.1～2.2cm，直径为1.5～2.4cm，距离伽马放射源15～22cm；远伽马探测器长度为3.3～5.2cm，直径为2.9～3.3cm，距离伽马放射源35～45cm。

优选的，所述仪器主体连接有驱动其轴向旋转的动力装置。

利用上述设备进行扫描式放射性井径测量的方法，包括以下步骤：

a建立扫描式放射性井径测量设备与井壁之间的泥浆间隙与远伽马探测器计数和近伽马探测器计数的定量计算公式：

a1当扫描式放射性井径测量设备与井壁之间存在泥浆间隙时，根据伽马射线与物质相互作用理论及射线衰减规律，考虑单一远伽马探测器，远伽马探测器计数表示为

式(1)中，μ_a为质量衰减系数，ρ_L为远伽马探测器视密度，N为远伽马探测器光子计数，N₀为放射源强度，d为远伽马探测器与伽马放射源之间的距离；

a2由式(1)变换得到远伽马探测器视密度计算公式为

a3当测量设备置于井眼时，由于测量设备与井壁之间存在泥浆间隙，远伽马探测器光子计数受泥浆影响，得到视密度与泥浆密度和地层密度有关，获得的远伽马探测器视密度值可由下式表示：

ρ_L＝ρ_b(1-R)+ρ_mR (3)

式(3)中，ρ_m为泥浆密度，ρ_b为地层密度；定义R为泥浆对远伽马探测器视密度值的贡献率：

a4地层密度ρ_b计算利用近伽马探测器视密度、远伽马探测器视密度表示为：

ρ_b＝ρ_L+k₁(ρ_L-ρ_S)+k₂(ρ_L-ρ_S)² (5)

式中，ρ_L为远伽马探测器视密度、ρ_S为近伽马探测器视密度，k₁、k₂为与设备有关的刻度常数；将式(5)代入式(4)得：

a5建立井径测井计算模型，改变泥浆间隙长度、泥浆密度和地层密度，利用式(6)分别计算泥浆对远伽马探测器视密度的贡献率；

a6分别取各个泥浆间隙对应的视密度贡献率R的平均值，将泥浆间隙对视密度贡献率R随泥浆间隙大小变化进行拟合，获得泥浆间隙对远探测器视密度的贡献率R与泥浆间隙的变化关系，利用非线性公式表示为：

R＝1-e^-aS (7)

式(7)中，a为与设备有关的刻度常数，S为泥浆间隙大小；

a7将式(6)代入式(7)，得到定量确定每个方位的泥浆间隙长度S_i的公式为

b计算设备中心位置到井壁距离

b1将测量设备中远伽马探测器和近伽马探测器在各个方位计算得到的视密度代入式(8)中，计算得到各个方位泥浆间隙长度；

b2设备中心到井壁距离计算公式为

D_i＝S_i+R_T (9)

式(9)中，D_i为设备中心位置到井壁距离，R_T为设备半径；

根据设备中心位置到井壁距离值，进一步计算得出井径数值。

步骤a5中：改变泥浆间隙长度分别为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm；泥浆密度分别取1.0g/cm³、1.2g/cm³、1.6g/cm³；地层密度分别取1.684g/cm³、1.8208g/cm³、2.026g/cm³、2.197g/cm³、2.368g/cm³、2.539g/cm³、2.6758g/cm³、2.8558g/cm³的饱含淡水的岩石。

上述方法中，测量设备在井下以旋转扫描方式进行测量。

上述方法中，将井眼周边等量划分成16方位或32方位进行测量。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明方法通过建立计算模型分析得出泥浆对探测器伽马计数贡献率的大小与泥浆间隙有关且成非线性关系，并基于以上分析定量确定每个方位的泥浆间隙长度计算公式，再结合近、远伽马探测器记录不同井眼深度处各个方位伽马计数，计算得出井径范围，具有测量精度高、非接触、广泛适用性等优势，能够对井眼进行精细评价。

2、本发明设备采用开设多个准直孔，同时设置与准直孔相对应的多个近、远伽马探测器，伽马计数统计性误差较小，配合设备在井下以旋转扫描方式进行测量，井径成像质量高，通过井径成像图可以确定扩径或缩径井段以及冲蚀井眼位置和方位，同时能够定量确定扩径或缩径及冲蚀大小。

3、本发明方法中利用远探测器伽马计数确定井径，其计算井径范围和精确度比近探测器要大，也相应提高了井径测量的精度。

附图说明

图1为本发明测量设备的结构示意图。图中：1为仪器主体，2为伽马准直孔，4为远伽马探测器密封物质，5为远伽马探测器，6为伽马放射源，7为近伽马探测器，8为井眼，9为地层，10为动力装置，11为第一屏蔽体，12为近伽马探测器密封物质，13为第二屏蔽体，14为地面控制系统；

图2为图1中设备A向近伽马放射源处剖视放大示意图；

图3为图1中设备B向远伽马探测器处剖视放大示意图，图中3为伽马探测器晶体外壳。同样，近伽马探测器处设置与远伽马探测器相似，只是探测器尺寸不同；

图4为仪器以旋转扫描测量方式及数据采集单元示意图，以16方位测量为例；

图5为利用图1建立的蒙特卡罗数值计算模型，通过改变计算条件，得到的泥浆对远伽马探测器视密度贡献率变化规律图。计算条件为：改变仪器与井壁之间的间隙分别为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm；泥浆密度分别取1.0g/cm³、1.2g/cm³、1.6g/cm³；地层密度分别取1.684g/cm³、1.8208g/cm³、2.026g/cm³、2.197g/cm³、2.368g/cm³、2.539g/cm³、2.6758g/cm³、2.8558g/cm³的饱含淡水的灰岩，R表示泥浆对远伽马探测器视密度贡献率。

图6为分别取图5中的各个泥浆间隙对应的R平均值，得到R与泥浆间隙之间的关系；

图7为非线性拟合方法与线性拟合方法计算误差的对比；

图8绘出了井径扩径和冲蚀模型，图中：15为井眼冲蚀井段，16为井眼扩径井段；

图9为图8中C向井眼冲蚀横截面示意图；

图10为图8中D向井眼扩径横截面示意图；

图11为通过建立不同程度的井眼缩径和扩径模型，利用本发明方法计算单一方位井径曲线的变化；

图12为建立的图8所示的井眼扩径模型，利用本发明方法获得的方位井径解释成果二维平面展布示意图；

图13为建立的图8所示的井眼冲蚀模型，利用本发明方法获得的方位井径解释成果二维平面展布示意图。

图14为利用本发明绘制的三维井眼形状成像图。

具体实施方式

本发明公开了一种扫描式放射性井径测量方法及设备，其选用一个伽马放射源，在伽马放射源处设置多个准直孔，对应的多个近、远伽马探测器记录散射伽马计数；根据伽马计数是泥浆密度和地层密度加权平均作用的结果，基于泥浆对探测器伽马计数贡献的大小与泥浆间隙有关，两者存在非线性关系；利用伽马探测器记录的沿井眼不同深度处的各方位伽马计数，进而形成对井径大小进行定量评价的方法。通过设置多组准直孔-探测器的组合，减小了伽马计数统计误差，提高了方位井径数据的准确度；设备在井下以旋转扫描方式进行测量，记录了井下不同深度处各方位井径数据，用于井径成像显示。

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示，一种扫描式放射性井径测量设备，包括1个伽马放射源6、多个近伽马探测器7和多个远伽马探测器5，近伽马探测器7和远伽马探测器5的个数相等，近伽马探测器7距离伽马放射源6的距离小于远伽马探测器5距离伽马放射源6的距离。在伽马放射源6处开设有多个伽马准直孔2，所述伽马准直孔2的个数和近伽马探测器7或远伽马探测器5的个数相等。每一伽马准直孔2与一近伽马探测器7和一远伽马探测器5相匹配，且该伽马准直孔2的出口位置与相匹配的近伽马探测器7和远伽马探测器5处于同一竖直平面。

上述多个近伽马探测器7均位于仪器主体1的同一横截面内，近伽马探测器7的个数设置为2个、3个或4个，且当近伽马探测器7设置2个时，近伽马探测器相互间隔为180°，当近伽马探测器设置3个时，相邻近伽马探测器相互间隔为120°，当近伽马探测器设置4个时，相邻近伽马探测器相互间隔为90°。所述多个远伽马探测器5也均位于仪器主体1的同一横截面内，相应的远伽马探测器的个数设置为2个、3个或4个，且当远伽马探测器设置2个时，远伽马探测器相互间隔为180°，当远伽马探测器设置3个时，相邻远伽马探测器相互间隔为120°，当远伽马探测器设置4个时，相邻远伽马探测器相互间隔为90°。优选近伽马探测器7和远伽马探测器5均设置4个。

上述近伽马探测器7或远伽马探测器5分别置于仪器主体1的侧向开槽中，并分别采用近伽马探测器密封物质12和远伽马探测器密封物质4密封，密封物质优选铍。近伽马探测器7和远伽马探测器5均采用NaI晶体。

上述伽马放射源6为Cs-137伽马源，伽马射线能量为662KeV，源强1～2Ci。伽马放射源采用高密度金属屏蔽，优选钨镍铁合金。

上述伽马准直孔2直径为1.2～2.0cm。上述近伽马探测器7长度为1.1～2.2cm，直径为1.5～2.4cm，距离伽马放射源15～22cm；远伽马探测器5长度为3.3～5.2cm，直径为2.9～3.3cm，距离伽马放射源35～45cm。

上述仪器主体1连接有驱动其轴向旋转的动力装置10，动力装置10与地面控制系统14连接。

上述近伽马探测器7和伽马放射源6之间设置有第二屏蔽体13，近伽马探测器7和远伽马探测器5之间设置有第一屏蔽体11。

利用上述设备进行扫描式放射性井径测量的方法，包括以下步骤：

当扫描式放射性井径测量设备与井壁之间存在泥浆间隙时，根据伽马射线与物质相互作用理论及射线衰减规律，考虑单一远伽马探测器，探测器计数表示为

式(1)中，μ_a为质量衰减系数；ρ_L为远伽马探测器视密度；N，N₀分别为远伽马探测器光子计数和放射源强度；d为远伽马探测器与伽马放射源之间的距离。

通过式(1)可以计算得到地层视密度为

因伽马射线与物质作用时，伽马射线的衰减与物质密度为指数关系，因此根据设备伽马探测器计数与物质密度之间的刻度关系，可以得到地层密度。当设备置于图1所示的测量环境时，由于设备与井壁之间存在泥浆间隙，探测器测量计数受泥浆影响，得到视密度是泥浆密度和地层密度的加权平均值，获得的探测器视密度值可由下式表示：

ρ_L＝ρ_b(1-R)+ρ_mR (3)

式中，ρ_m，ρ_b分别为泥浆、地层密度。定义R为泥浆对远伽马探测器视密度值的贡献：

地层密度ρ_b计算可以利用近、远伽马探测器计算视密度表示为：

ρ_b＝ρ_L+k₁(ρ_L-ρ_S)+k₂(ρ_L-ρ_S)² (5)

式中，ρ_L、ρ_S分别为远、近伽马探测器视密度，k₁、k₂为与仪器有关的刻度常数。将式(5)代入式(4)：

显然，对于泥浆和地层密度一定时，泥浆间隙越大，泥浆对探测器视密度值贡献将变大；利用蒙特卡罗数值方法建立图1所示井径测井条件下的计算模型，计算泥浆对远伽马探测器视密度贡献R的变化规律。改变泥浆间隙长度分别为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm；泥浆密度分别取1.0g/cm³、1.2g/cm³、1.6g/cm³；地层密度分别取1.684g/cm³、1.8208g/cm³、2.026g/cm³、2.197g/cm³、2.368g/cm³、2.539g/cm³、2.6758g/cm³、2.8558g/cm³的饱含淡水的岩石。利用式(6)分别计算泥浆对远伽马探测器视密度的贡献率R的大小，结果如图5所示。

图5显示，相同泥浆间隙条件下，泥浆对远探测器视密度值贡献率大小随地层密度和泥浆密度基本不变，因此在常见地层密度和泥浆密度情况下，当泥浆间隙一定时，泥浆对视密度的贡献率R基本可视为一常数。

分别取图5中的各个泥浆间隙对应的视密度贡献率R的平均值，将泥浆间隙对视密度贡献率R随泥浆间隙大小变化进行拟合，获得泥浆对远探测器视密度的贡献率R与泥浆间隙的变化关系如图6所示，可以利用非线性公式表示为：

R＝1-e^-aS (7)

式(7)中，a为与仪器有关的刻度常数，S为泥浆间隙大小。由图6可以看出不同泥浆间隙条件下，泥浆贡献率R随泥浆间隙增大而增大；当泥浆间隙增大到一定程度时，R值变化逐渐变缓，存在一定非线性关系。相比于简单利用线性关系描述贡献率R与间隔S的关系，即经验系数法，使用固定的线性刻度系数(经验参数)的方式，上述利用公式(7)描述两者关系更为准确，可显著提高井径的计算精度。尤其是当遇到泥浆密度过大、井径严重扩大等情况时，依然能够保证较好的计算精度。

图7示出上述方法与经验系数法计算精度的对比，从图中可以看出，随着泥浆间隙的增大，经验系数法的计算误差越来越大；随后，当泥浆间隙增大到超过3cm左右时，经验系数法的计算误差逐渐减小。从图7中明显可以得出，本方法的计算误差较小，且计算误差基本不受泥浆间隙大小的影响。

基于以上分析，可以利用泥浆的贡献率R与泥浆间隙的变化关系，计算井眼中任意位置处设备与井壁间隙大小，进而利用井径成像方法对井眼状况进行精细评价。将式(6)代入式(7)，得到定量确定每个方位的泥浆间隙长度S_i的公式为

式(8)中，i＝1,2…16；与图4中所示C1，C2…C16测量方位一一对应。

以16个方位的井径测井为例，利用上述方法确定每个方位泥浆间隙长度，仪器中心到井壁距离计算公式为

D_i＝S_i+R_T (9)

式(9)中，D_i为仪器中心位置到井壁距离，i＝1,2…16，R_T为仪器半径。

式(8)、式(9)可以看出，本发明扫描式放射性井径测量方法及设备，利用多方位的远、近伽马探测器视密度ρ_L和ρ_S，以及钻井泥浆密度ρ_m，形成了一种对井下井眼状况精细评价的方法。

更进一步的，利用蒙特卡罗数值模拟方法建立如图8所示的井眼扩径及冲蚀模型，地层为饱含淡水灰岩地层，井眼内充满泥浆，仪器居中且将井周划分16方位进行测量。当井眼发生不同程度扩径或缩径时，利用上述方法计算对应方位的井径曲线，反应该方位的井径扩径或缩径程度D的大小如图11所示。可以看出利用上述方法计算得到井眼曲线能够很好反映地层井眼尺寸变化。

利用得到的多条井径曲线，利用线性插值方法，对井径形状进行成像。图12为井眼扩径时，计算得到的井径成像横向展开图，可以看出50-160cm处，井眼发生了扩径。

当井眼周围某一方位发生冲蚀时，利用相同的方法计算各方位井径曲线，并进行井径成像如图13所示为平面展开图，可以看出在第四个方位处，发生了井眼冲蚀。

同时也可以对整个测量井段进行三维井眼形状成像如图14所示，三维成像图能够很好反映整个井段的井眼形状变化。

综上所述，本发明利用泥浆对伽马探测器视密度的贡献率R与泥浆间隙的非线性关系，通过开设多个准直孔，设置与准直孔相对应的多个近、远伽马探测器，以扫描方式进行测量，能够对井眼进行精细评价，提高了井眼状况描述精度、拓宽了适应范围。