[发明专利]核工具及其构造方法以及使用其进行测井的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定地层孔隙度的工具；更具体地说，本发明涉及具有中子发生器的核工具。

背景技术

在碳氢化合物的勘探和开发中，确定地下地层是否含有碳氢化合物和在地层中含有多少碳氢化合物是很重要的。地下碳氢化合物以及水一般容纳在地层的孔隙内。因为中子“孔隙度”工具探测碳氢化合物和水的独特能力，中子“孔隙度”工具一般被用于确定地下地层的孔隙内存在的碳氢化合物和水的数量。

中子工具包含中子发射源(或者是化学源或者是中子发生器)和一个或多个轴向间隔开的探测器，探测器响应于中子与钻孔内和钻孔周围的地层内的原子核的相互作用所导致的冲击中子的通量。中子孔隙度工具的基本概念是以下列事实为基础的：(a)氢是中子最有效的减速剂以及(b)在地下地层中发现的绝大多数氢容纳地层孔隙的液体中，或者作为水或者作为液体碳氢化合物或者气体。对于由中子源以固定能量发射的中子，由中子探测器记录的计数率随着氢(例如孔隙度)体积浓度的增加而降低。

附图1显示了阐述线缆中子测井作业的简化示意图。如附图1所示，中子工具11被置于钻孔12内。中子工具11包括中子源13和一个或多个中子探测器14。中子源可以是化学源或者电中子发生器(electronic neutrongenerator)，发射中子进入围绕钻孔12的地层15内。发射的中子穿过地层15并与地层内的物质相互作用。作为这样相互作用的结果，中子损失了一些它们的能量。因此，中子以较低能量到达探测器14。通过分析探测器对这些中子的响应，可以推断出周围地层的性质。

具有化学源的常规中子工具能够以热中子孔隙度读数的形式测量地层的孔隙度。化学源通常依赖于²⁴¹Am-Be混合物中的α-铍反应。当被由镅产生的阿尔法(α)粒子撞击时，铍释放出大约4MeV的中子。这些高能中子与地层内的原子核相互作用并被弹性散射减速到接近热平衡。该减速过程主要由氢对中子的散射决定。在热平衡时，中子通过材料扩散直到它们被热俘获。该俘获主要由例如氯或铁之类的热中子吸收器决定。

附图2(A)显示了化学源中子工具的一个例子(例如来自得克萨斯州、休斯敦的Schlumberger Technology Corp.的CNL)。如附图2(A)所示，化学源中子工具20包括化学源25，其包括放射材料，例如AmBe。化学源中子工具20也包括近探测器24和远探测器22以提供计数率，以用于计算地层的孔隙度。近探测器24和远探测器22是热探测器。此外，工具20包括屏蔽材料23，其防止由化学源产生的中子直接到达探测器，使来自中子源25的干扰最小化。

使用化学源的中子工具已经存在很长时间。因此，用户更熟悉由化学源中子工具获得的热中子孔隙度测量。此外，岩石学家通常把热中子孔隙度用于特定的矿物以作为地层分析的一部分。但是，由于化学源辐射的恒定发射和严格的政府管制，化学源不是很合意。此外，这些化学源变得稀缺。因此，需要开发不依赖化学源的中子工具。

为了响应告别化学源中子工具的需要，一些现代的中子工具已经装备了电中子源或中子发生器(米尼管(minitron))。中子发生器包含紧凑的线性加速器，其通过把氢同位素聚变在一起以产生中子。通过加速氘(²D)或者加速氚(³T)或者这两种氢同位素的混合物进入金属氢化物靶而在这些装置中发生聚变，其中金属氢化物靶也包含或者氘(²D)或者氚(³T)或者这两种氢同位素的混合物。氘核(²D+²D)的聚变导致形成了³He离子和具有大约2.4MeV动能的中子。氘和氚原子(²D+³T)的聚变导致形成了⁴He离子和具有大约14.1MeV动能的中子。

当射入地层时，这些中子与地层内的物质相互作用并逐渐损失能量。这个过程被称作衰变。衰变过程主要由氢控制，其通过衰变的持续时间表征。最终，高能中子被足够衰变成为超热中子或热中子。热中子典型地在室温下具有对应于0.025eV的动能的平均能量，而超热中子典型地具有对应于0.4-10eV范围内的动能。但是，一些超热中子具有高达1keV的动能。本领域技术人员将认识到这些能量范围是一般指导原则，而非范围清楚的划分。这种衰减的中子通常由工具上的探测器探测，其中探测器可以包括快中子探测器、超热中子探测器和热中子探测器。