中子源产额自调节的中子测井系统及方法与流程

1.本发明涉及石油、天然气测井技术领域，具体涉及中子源产额自调节的中子测井系统及方法。


背景技术：

2.在地质测井过程中，中子测井技术是一门必不可少的测井手段，该技术利用中子与地层物质相互作用的原理，通过中子源，向周围地层发射高能中子，实时探测中子或伽马射线在地层的能量和强度变化，从而获取地层孔隙度、密度乃至地层元素含量的信息。
3.在现有中子测井仪器中，基于天然同位素中子源的中子测井仪器发展成熟、应用广泛。但由于同位素中子源具有较强的放射性，难以避免会对现场操作人员造成健康危害，加上测井过程中同位素源丢失与卡源的风险，会造成巨大的经济损失和环境污染，人们对同位素源的辐射危害越来越关注。
4.为了解决同位素源的安全性问题，中子测井仪器中逐步使用可控的加速器中子源进行替代。但目前国内可控中子源加工制造水平一般，中子产额并不稳定，会导致中子测井探测器测量结果不准确，误差增大。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：如何避免中子测井仪器同位素中子源辐射的风险，提高环保性和安全性；以及如何稳定可控中子源产额，提高中子测井探测器测量结果的准确性。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.本发明提供了一种中子源产额自调节的中子测井系统，包括中子源控制器、电源模块、可控中子源、中子产额监视器、中子测井探测器，所述电源模块与可控中子源连接；所述中子产额监视器设于可控中子源的零源距区，中子产额监视器与中子源控制器通讯连接；所述中子源控制器与电源模块连接，中子源控制器接收来自中子产额监视器的数据，并根据接收的数据控制电源模块的电压或电流；所述中子测井探测器设于可控中子源的正源距区。
8.本发明的有益效果是：本发明采用可控中子源，避免了同位素中子源辐射的风险，环保性和安全性高；且实现了中子源产额自调节，克服了国内可控中子源产额不稳定导致应用困难，提高了中子测井测量结果的准确性；既可以用于d-t可控中子源，也可以用于d-d可控中子源。此外，本发明中子产额监视器安装在零源距区，计数率不受地层孔隙度等因素影响，因此该仪器适合多种地质环境，应用范围较广；且与可控中子源有一定距离，节省中子源处安装空间，缩小了中子测井仪器外径尺寸。
9.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
10.进一步的，所述电源模块用于为可控中子源供电，所述中子产额监视器用于监测可控中子源的中子通量密度，并将检测的中子通量密度数据发送到中子源控制器，所述中
子源控制器用于根据接收的中子通量密度数据控制电源模块的输出电压或电流。
11.上述进一步方案的有益效果是：对可控中子源的中子产额形成反馈控制，使中子产额保持在额定值。
12.进一步的，所述中子源控制器用于根据接收的中子通量密度数据控制电源模块的输出电压或电流，具体包括：所述中子源控制器将中子产额监视器探测的中子通量密度通过反演计算得到中子产额，并将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块的输出电压或电流。
13.上述进一步方案的有益效果是：使中子产额保持在额定值，从而实现中子产额自调节，提高了中子测井测量结果的准确性。
14.进一步的，所述将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块的输出电压或电流，具体包括：当计算的中子产额小于额定的中子产额值时，中子源控制器增大电源模块的输出电压或电流，提高中子产额；当计算的中子产额大于额定的中子产额值时，中子源控制器减小电源模块的输出电压或电流，减小中子产额；当计算的中子产额等于额定的中子产额值时，中子源控制器不动作，维持电源模块的输出电压或电流，保持中子产额。
15.上述进一步方案的有益效果是：易于编程实现中子产额自调节。
16.进一步的，所述中子测井探测器用于探测地层中的中子或伽马射线的通量分布或能谱分布信息。
17.上述进一步方案的有益效果是：采用中子或伽马探测器来测量地层中的中子或伽马通量分布，以反映地层中的中子或伽马密度随源距衰减的速率，经过计算处理记录曲线，即可得出地层孔隙度、密度乃至地层元素含量的信息。
18.进一步的，所述中子测井探测器包括伽马探测器、中子探测器任一种或两种。
19.上述进一步方案的有益效果是：可根据不同的探测对象，灵活选择对应的中子测井探测器，因此该中子测井系统适用性很广。
20.进一步的，所述可控中子源为d-t可控中子源或d-d可控中子源。
21.上述进一步方案的有益效果是：可控性好，适用性好。
22.本发明还提供了一种中子源产额自调节的中子测井方法，包括如下步骤：
23.步骤一、电源模块为可控中子源供电，可控中子源向外发射中子；
24.步骤二、中子产额监视器在可控中子源的零源距区监测中子通量密度，并将检测的中子通量密度数据发送到中子源控制器；
25.步骤三、中子源控制器根据接收的中子通量密度数据控制电源模块的输出电压或电流，从而控制可控中子源的中子产额；
26.步骤四、中子测井探测器在可控中子源的正源距区探测地层中的中子或伽马射线的通量分布或能谱分布信息。
27.本发明的有益效果是：可在现有的可控中子测井仪器上实施，实用性好；实现了中子源产额自调节，克服了国内可控中子源产额不稳定导致应用困难，提高了中子测井测量结果的准确性；既可以用于d-t可控中子源，也可以用于d-d可控中子源。此外，本发明中子产额监视器安装在零源距区，计数率不受地层孔隙度等因素影响，因此该仪器适合多种地质环境，应用范围较广；且与可控中子源有一定距离，节省中子源处安装空间，缩小了中子
测井仪器外径尺寸。
28.进一步的，所述步骤三，具体包括：中子源控制器将中子产额监视器探测的中子通量密度通过反演计算得到中子产额，并将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块的输出电压或电流。
29.上述进一步方案的有益效果是：对可控中子源的中子产额形成反馈控制，使中子产额保持在额定值。
30.进一步的，所述将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块的输出电压或电流，具体包括：
31.当计算的中子产额小于额定的中子产额值时，中子源控制器增大电源模块的输出电压或电流，提高中子产额；当计算的中子产额大于额定的中子产额值时，中子源控制器减小电源模块的输出电压或电流，减小中子产额；当计算的中子产额等于额定的中子产额值时，中子源控制器不动作，维持电源模块的输出电压或电流，保持中子产额。
32.上述进一步方案的有益效果是：使中子产额保持在额定值，从而实现中子产额自调节，提高了中子测井测量结果的准确性；且易于编程实现。
附图说明
33.图1为本发明的结构示意图。
34.图2为不同孔隙度情况下中子计数随源距变化曲线图。
35.附图中，各附图标记所代表的技术特征如下：
36.1-中子源控制器；2-电源模块；3-可控中子源；4-中子产额监视器；5-中子测井探测器；6-地层；7-井眼。
具体实施方式
37.以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
38.本发明参见图1-2。
39.实施例一，如图1-2所示：
40.本发明提供了一种中子源产额自调节的中子测井系统，包括中子源控制器1、电源模块2、可控中子源3、中子产额监视器4、中子测井探测器5，所述电源模块2与可控中子源3连接；所述中子产额监视器4设于可控中子源3的零源距区，中子产额监视器4与中子源控制器1通讯连接；所述中子源控制器1与电源模块2连接，中子源控制器1接收来自中子产额监视器4的数据，并根据接收的数据控制电源模块2的电压或电流；所述中子测井探测器5设于可控中子源3的正源距区。
41.原理：中子源产额自调节的中子测井系统使用过程中，整体放入到井眼7内，由可控中子源3向地层6发射高能中子，中子经地层6减速、慢化后，被安装在零源距处的中子产额监视器4探测到，中子产额监视器4探测的中子通量密度传输到中子源控制器1，中子源控制器1将探测中子通量反演计算得到中子产额与额定的中子产额值比较，根据产额偏差值实时调整可控中子源3参数(供电电压、电流)，使中子产额保持在额定值，从而实现中子产额自调节。例如，当中子产额监视器4探测的中子通量反演计算得到中子产额小于额定的中
子产额值时，中子源控制器1增大电源模块2输出给可控中子源3的供电电压或电流，提高中子产额；反之，中子源控制器1减小电源模块2输出给可控中子源3的供电电压或电流，降低中子产额。如此，在目前国内可控中子源3的中子产额不稳定的情况下，本发明也能实时调节中子产额，保证中子测井探测器5测量结果的准确性，减小测井误差。
42.注：额定的中子产额值(额定值)：是根据测井原理设定的，其许可波动范围可根据测井现场的精度需求决定。
43.探测精度要求小，则中子产额许可误差大，额定范围大；反之，额定范围小。
44.可控中子源3可以是d-d源，也可以是d-t源。
45.中子产额监视器4为中子探测器，会接收来自各方向的中子进行计数。
46.关于源距的概念(如图2所示)：通用术语，源距就是距离中子源的距离，中子探测器的中子计数测量值随源距的不同而变化，按源距逐渐增大可以分为负源距区、零源距区、和正源距区三个区间。定义：负源距区，中子探测器计数值随地层6孔隙度增加而增大；零源距区，探测器计数值不随地层6孔隙度变化(变化很小，视为不变化，各孔隙度的计数值相近)；正源距区，计数值随地层6孔隙度增加而减少。图2中，不同的曲线代表在不同地层孔隙度下，中子产额监视器4测定的中子通量密度与源距的关系，横轴代表源距(中子产额监视器4距离中子源的距离)，纵轴代表中子产额监视器4测定的中子通量密度。
47.从图2可知，在零源距区，中子产额监视器4在不同地层6孔隙度下的计数值基本处于同一个数量级且差距很小，可以认为计数值不随地层6孔隙度变化，所以将中子产额监视器4安装在该区域，避免中子产额监视器4的计数数值受地层6孔隙度的影响，中子产额监视器4的计数值经过反演计算后，能很好的反映可控中子源3的中子产额变化。
48.本发明的有益效果是：本发明采用可控中子源3，避免了同位素中子源辐射的风险，环保性和安全性高；且实现了中子源产额自调节，特别适合国内可控中子源3的应用需求，提高了中子测井测量结果的准确性；既可以用于d-t可控中子源，也可以用于d-d可控中子源。此外，本发明中子产额监视器4安装在零源距区，计数率不受地层6孔隙度等因素影响，因此该仪器适合多种地质环境，应用范围较广；且与可控中子源3有一定距离，节省中子源处安装空间，缩小了中子测井仪器外径尺寸。
49.进一步的，所述电源模块2用于为可控中子源3供电，所述中子产额监视器4用于监测可控中子源3的中子通量密度，并将检测的中子通量密度数据发送到中子源控制器1，所述中子源控制器1用于根据接收的中子通量密度数据控制电源模块2的输出电压或电流。
50.上述进一步方案的有益效果是：对可控中子源3的中子产额形成反馈控制，使中子产额保持在额定值。
51.进一步的，所述中子源控制器1用于根据接收的中子通量密度数据控制电源模块2的输出电压或电流，具体包括：所述中子源控制器1将中子产额监视器4探测的中子通量密度通过反演计算得到中子产额，并将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块2的输出电压或电流。
52.上述进一步方案的有益效果是：使中子产额保持在额定值，从而实现中子产额自调节，提高了中子测井测量结果的准确性。
53.进一步的，所述将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块2的输出电压或电流，具体包括：当计算的中子产额小于额定的中子产额值时，
中子源控制器1增大电源模块2的输出电压或电流，提高中子产额；当计算的中子产额大于额定的中子产额值时，中子源控制器1减小电源模块2的输出电压或电流，减小中子产额；当计算的中子产额等于额定的中子产额值时，中子源控制器1不动作，维持电源模块2的输出电压或电流，保持中子产额。
54.上述进一步方案的有益效果是：易于编程实现中子产额自调节。
55.进一步的，所述中子测井探测器5用于探测地层中的中子或伽马射线的通量分布或能谱分布信息。
56.上述进一步方案的有益效果是：采用中子或伽马探测器来测量地层中的中子或伽马通量分布，以反映地层中的中子或伽马密度随源距衰减的速率，经过计算处理记录曲线，即可得出地层孔隙度、密度乃至地层元素含量信息。
57.进一步的，所述中子测井探测器5包括伽马探测器、中子探测器任一种或两种。
58.注：中子测井探测器5均处于正源距区。中子测井探测器5的数量与类型应根据不同的探测对象合理配置，例如，采用两个不同源距的热中子探测器来测量地层孔隙度信息，采用四个不同源距的伽马探测器来测量地层水流速信息。(详见实施例三、实施例四)
59.上述进一步方案的有益效果是：可根据不同的探测对象，灵活选择对应的中子测井探测器5，因此该中子测井系统适用性很广。
60.实施例二：
61.本发明还提供了一种中子源产额自调节的中子测井方法，包括如下步骤：
62.步骤一、电源模块2为可控中子源3供电，可控中子源3向外发射中子；
63.步骤二、中子产额监视器4在可控中子源3的零源距区监测中子通量密度，并将检测的中子通量密度数据发送到中子源控制器1；
64.步骤三、中子源控制器1根据接收的中子通量密度数据控制电源模块2的输出电压或电流，从而控制可控中子源3的中子产额；
65.步骤四、中子测井探测器5在可控中子源3的正源距区，探测地层6中的中子或伽马射线的通量分布或能谱分布信息。
66.本发明的有益效果是：可在现有的可控中子测井仪器上实施，实用性好；实现了中子源产额自调节，特别适合国内可控中子源3的应用需求，提高了中子测井测量结果的准确性；既可以用于d-t可控中子源，也可以用于d-d可控中子源。此外，本发明中子产额监视器4安装在零源距区，计数率不受地层6孔隙度等因素影响，因此该仪器适合多种地质环境，应用范围较广；且与可控中子源3有一定距离，节省中子源处安装空间，缩小了中子测井仪器外径尺寸。
67.进一步的，所述步骤三，具体包括：中子源控制器1将中子产额监视器4探测的中子通量密度通过反演计算得到中子产额，并将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块2的输出电压或电流。
68.上述进一步方案的有益效果是：对可控中子源3的中子产额形成反馈控制，使中子产额保持在额定值。
69.进一步的，所述将计算的中子产额与额定的中子产额值比较，并根据比较结果控制电源模块2的输出电压或电流，具体包括：
70.当计算的中子产额小于额定的中子产额值时，中子源控制器1增大电源模块2的输
出电压或电流，提高中子产额；当计算的中子产额大于额定的中子产额值时，中子源控制器1减小电源模块2的输出电压或电流，减小中子产额；当计算的中子产额等于额定的中子产额值时，中子源控制器1不动作，维持电源模块2的输出电压或电流，保持中子产额。
71.上述进一步方案的有益效果是：使中子产额保持在额定值，从而实现中子产额自调节，提高了中子测井测量结果的准确性；且易于编程实现。
72.实施例三、中子源产额自调节的中子测井仪器：
73.本实施例与实施例一相比，特点在于：
74.根据实施例一所述：中子测井探测器5的数量与类型应根据不同的探测对象合理配置。所述探测对象为：补偿中子孔隙度测井。
75.根据实施例一所述：所述中子测井探测器5包括伽马探测器、中子探测器任一种或两种。具体为：所述中子测井探测器5由2个不同源距的热中子探测器组成。
76.注：热中子探测器是中子探测器的一种。
77.原理：中子源产额自调节的中子测井仪器使用过程中，整体仪器放入到井眼7内，由可控中子源3向地层6发射高能中子，中子经地层6减速、慢化后，被安装在零源距处的中子产额监视器4探测到，中子产额监视器4探测的中子通量密度传输到中子源控制器1，中子源控制器1将探测中子通量反演计算得到中子产额与设定的额定的中子产额值比较，根据产额偏差值实时调整可控中子源3参数(供电电压、电流)，使中子产额保持在额定值，从而实现在补偿中子孔隙度测井过程内中子产额自调节。
78.另外，可控中子源3发射的高能中子，经过地层减速、慢化后，变成热中子，在这一过程中，由于地层中氢原子具有与中子最接近的质量，对中子的减速能力最强，因此热中子探测器的计数率与地层含氢量直接相关，即计数率越低，地层含氢量越高，地层孔隙度越大。
79.为了消除岩石中其它元素对测量结果的影响，孔隙度测井多采用补偿的形式，即采用长、短两个源距的热中子探测器测量经地层慢化并散射回井筒内的热中子，得到两个探测器的计数率，两个探测器的计数率比值，直接反映地层孔隙度的变化。
80.本发明的有益效果是：本发明采用可控中子源3，避免了同位素中子源辐射的风险，环保性和安全性高；且实现了中子源产额自调节，保证在中子孔隙度测井过程中中子源产额的稳定，提高了中子孔隙度测井结果的准确性。此外，本发明中子产额监视器4安装在零源距区，计数率不受地层6孔隙度等因素影响，因此该仪器适合多种地质环境，应用范围较广；且与可控中子源3有一定距离，节省中子源处安装空间，缩小了中子孔隙度测井仪器外径尺寸。
81.实施例四、中子源产额自调节的中子测井仪器：
82.本实施例与实施例一相比，特点在于：
83.根据实施例一所述：中子测井探测器5的数量与类型应根据不同的探测对象合理配置。所述探测对象为：中子氧活化水流测井。
84.根据实施例一所述：所述中子测井探测器5包括伽马探测器、中子探测器任一种或两种。具体为：所述中子测井探测器5由4个不同源距的伽马探测器组成。
85.原理：中子源产额自调节的中子氧活化水流测井仪器使用过程中，整体仪器放入到井眼7内，由可控中子源3向地层6发射高能中子，中子经地层6减速、慢化后，被安装在零
源距处的中子产额监视器4探测到，中子产额监视器4探测的中子通量密度传输到中子源控制器1，中子源控制器1将探测中子通量反演计算得到中子产额与设定的额定的中子产额值比较，根据产额偏差值实时调整可控中子源3参数(供电电压、电流)，使中子产额保持在额定值，从而实现在氧活化测井过程内中子产额自调节。
86.另外，可控中子源3发射的高能中子，同时与水中的氧原子核
16
o发生活化反应，产生放射性同位素
16
n，不稳定的
16
n衰变产生
16
o和高能伽马射线，4个不同源距的伽马探测器组成中子测井探测器5，来测量不同位置的伽马计数，当活化后的水经过这些伽马探测器时，会在时间谱上产生峰值，根据在时间谱上峰值的位置就知道活化水流到达探测器的时间，然后基于探测器源距，求得流速。4个探测器的计算结果，选择其中较好的作为最终测量值。
87.本发明的有益效果是：本发明采用可控中子源3，避免了同位素中子源辐射的风险，环保性和安全性高；且实现了中子源产额自调节，保证在氧活化测井过程中中子源产额的稳定，提高了中子氧活化测井结果的准确性。此外，本发明中子产额监视器4安装在零源距区，与可控中子源3有一定距离，节省中子源处安装空间，缩小了中子氧活化测井仪器外径尺寸。
88.在本发明的描述中，需要理解的是，如果出现了指示方位、方向或位置关系的描述用语，例如：“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，在本说明书中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便理解本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的部分、元件或整体必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
89.此外，如果出现了次序描述用语，例如：“第一”、“第二”等，在本说明书中的用途是为了便于理解或简化描述，例如，为了区分多个具有相同类型或功能的技术特征，而又不得不单独提及时，本说明书可能采用前缀或后缀次序描述用语的方式将其区分。因此，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
90.在本发明中，如果采用了结构相对作用关系描述用语，例如：“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义的理解。例如，“安装”、“相连”、“连接”等，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系；“固定”可以是形成一体的固定，也可以是通过紧固件可拆卸的固定；可以是直接固定，也可以是通过中间媒介固定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本发明中的具体含义。
91.在本发明中，如果出现了含有附属或连接含义的描述用语，例如，第一特征在第二特征“上”或“下，除非另有明确的规定和限定，否则不应做限定性的理解，例如，“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，也可以是第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本发明中的具体含义。
92.进而，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
93.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述，并不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例、示例以及不同实施例、示例的特征进行结合和组合，这些结合或组合都应归入本发明所概括的范围之内。
94.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在其公开渠道可以获得的信息范围内，结合本技术文件所给出的技术启示，可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。