[发明专利]一种可控中子三探测器元素测井装置及方法

说明书

本发明公开了一种可控中子三探测器元素测井装置及方法，具体涉及石油及天然气勘探领域。该装置采用D‑T可控中子源、一个近He‑3中子探测器、一个LaBr₃晶体伽马探测器及一个超远He‑3热中子探测器。两个He‑3中子探测器采集中子时间谱及中子总计数，LaBr₃伽马探测器采集非弹及俘获伽马时间谱，测量信息经过仪器遥测短节，上传地面设备。该方法包括：首先对非弹伽马能谱进行处理，计算元素的非弹伽马产额，结合元素非弹产额、近与超远中子计数比等信息，计算Si、C等元素干重；然后处理俘获伽马能谱计算元素的俘获产额，结合非弹伽马确定的元素含量及俘获产额，计算能够被俘获伽马能谱测量的元素如Ca、S、Fe的含量。

技术领域

本发明涉及石油及天然气勘探领域，具体涉及一种可控中子三探测器元素测井装置及方法。

背景技术

目前有多种测井方法及装置能够进行井下地层元素含量的确定，代表性的主要有斯伦贝谢的ECS(Elemental Capture Spectroscopy)、哈里伯顿公司的GEM(Geochemicallogging)、贝克休斯公司的FLeX(Formation Lithology eXplorer)以及斯伦贝谢的LithoScanner元素测井仪器。其中ECS与GEM采用了Am-Be同位素中子源及单个BGO伽马探测器。FLeX与Litho Scanner使用了D-T可控中子源，其中前者采用了BGO伽马探测器，后者使用了高分辨率的 LaBr₃伽马探测器。仪器的中子源发射中子进入井眼及地层，中子能量较高时，能够与周围物质发生非弹性散射，释放非弹特征伽马射线；随着中子的不断减速，逐渐变成热中子，最终被仪器周围的物质吸收，释放出俘获特征伽马射线。仪器利用伽马探测器测量伽马能谱，进而分析地层骨架元素组成。由于Am-Be中子源释放中子的平均能量偏低，中子主要与元素原子核发生辐射俘获作用，因此ECS及GEM仅利用俘获伽马能谱，进行元素含量的测量。D-T 可控中子源发射中子的能量约为14MeV，中子与物质发生非弹性散射的概率增大，FLeX及 Litho Scanner通过特定的脉冲发射及信息采集时序，通过测量非弹性散射及俘获伽马能谱，进而分析地层骨架的元素组成。

目前仪器(US5471057、CN103696765、US20110218735、CN102084271)确定元素含量时，首先对测量的俘获伽马能谱进行解析，确定不同元素的俘获产额；然后通过氧化物闭合模型，将元素俘获产额转换为元素干重。元素俘获产额向元素干重的转换可以表示为：

式中：F为随深度变化的归一化因子，Y_i为元素俘获产额，S_i为元素的测量灵敏度因子， X_i为氧化指数，将元素含量转换为对应氧化物或碳酸盐矿物的含量(例如Ca元素可能会以CaO或CaCO₃的形式存在。当为CaCO₃时，对应氧化物指数为2.5，当以CaO形式存在时，对应氧化物指数为1.4)。可以看出，元素可能以多种氧化物的形式存在于地层中，因此氧化物种类选择不准确，会使计算元素含量误差增大。

非弹伽马能谱确定元素含量时(US 73666152B2)，需要利用能够同时被俘获伽马能谱及非弹伽马能谱测量的元素(如Si元素)进行传递。进而确定其他能够被非弹伽马能谱测量的元素含量。利用俘获伽马或非弹伽马能谱确定元素含量都需要依赖于氧化物闭合模型，因此元素含量的计算准确度受元素氧化物种类多样性的影响。

专利号为US7366615(04/2008)、US5471057(11/1995)、US20110218735(09/2011)的美国专利，专利号为CN103696765(11/2013)、CN102084271(06/2009)、CN102518431(06/2012) 的中国专利。

郑华等.PNST-E脉冲中子地层元素测井技术研究.《测井技术》.2015，第39卷(第4期)