[发明专利]带加速器中子源的测井仪

说明书

本发明涉及一种测井仪，用于研究钻井周围地层结构，测定地层结构的特征。更具体地说，本发明涉及利用加速器中子源，能够精确地确定地层孔隙度和其他特性，比如宏观俘获截面的测井探头。

对钻井周围地层结构的孔隙度的了解，在石油工业中很重要，用于鉴别油和气的生产区域，计算地层的最大产油能力指标以及其他重要参数。一般已公知的用来测量孔隙度的测井仪，使用化学中子源，例如Cf²⁵²，Am-Be或Pu-Be中子源，并在离源不同距离处放置两个或两个以上的中子探测器。这种类型的测井仪，在1969年12月9日公布的S.Locks的美国专利3，483，376和1971年2月23日公布的M.Tixier的美国专利3，566，117中都有详细描述。

然而，化学中子源存在着处理、运输和贮存等严重问题，这严重地妨碍了它们的使用。的确，考虑到辐射安全和对化学源控制应用的原因，就更加限制进而可能完全禁止它们的使用。此外，化学源有输出强度的极限，典型的是每秒4×10⁷个中子的量级或者更低。使用较大的化学源即使在测井仪的设计条件制约下可能做得到也只会使前面所提到的辐射安全问题更为严重。

各种类型的加速器中子源也可能适用于测井仪中，比如基于氘-氚（D-T）反应的加速器中子源，它能产生14Mev的中子，基于氘-氘（D-D）反应的加速器中子源，可产生2.5Mev的中子，基于氘-氘反应的加速器产生一个1-10Mev的谱，中子平均能量接近5Mev，在1973年11月27日公布的A.Frentrop的美国专利3，775，216中，描述了一个D-T加速器中子源的例子。（这份申请已转让给本申请的受让人）

因为加速器中子源可以开关（按所希望的接通和断开）控制，在使用化学源时出现的辐射问题，在加速器中子源中，就不再存在了。加速器中子源的另一个优点是能提高中子源强度。那种每秒5×10⁸个中子输出或者更高的输出，是容易得到的，这比化学源大一个数量级。由于中子输出强度比较大，加速器中子源能提高统计上的准确度，还能使测试操作进行得更快些。

此外，较高的中子源强度，增加了关于不同探测器之间的屏蔽和配置、以及特殊探测器和中子源之间配置设计的灵活性。因此，可以改善探测装置的性能。例如，较大探测器的间距，就能导致较小的钻孔影响。

然而，已经发现在一个公知的孔隙度探测装置中，直接用加速器中子源代替化学中子源，并不能提供一个可行的测井仪。其原因在于公知的孔隙度测试装置的响应主要由输送到探测器附近的高能中子和通过能量递降碰撞，局部慢化到较低能量时可进行探测的中子来决定的。通过在探测器附近，探测到中子的全截面随能量而异，源中子能量会影响孔隙度的响应，对一个能产生14Mev中子的D-T源，中子所遭遇到的地层截面，与典型的化学源（如Am-Be源中子平均能量是4Mev）的情况是十分不同的。因为，孔隙度变化对中子探测器的影响，以及探测器的输出信号，对于D-T加速器源和化学源都是不同的。比如，用一个D-T加速器源直接代替一个化学源的明显缺点是孔隙度的灵敏度不够，几乎超过25%孔隙度。

因此，对使用加速器中子源的孔隙度仪，必须消除与使用化学中子源有关的辐射问题。与此同时，还要提供精确的孔隙度灵敏度，在测井应用中达到全部有意义的范围。对于孔隙度测试仪还要使用一个高强度的加速器中子源，此源能提供比较好的统计上的准确性，更快的测试，提高设计上的灵活性，并能做出较好的，受钻井影响较少的孔隙度测定。

按照本发明，为满足已有技术的上述以及其他要求，可通过一种测井仪来实现，该测井仪包括一个加速器中子源，一个中子源监视器，一个近超热中子探测器，和一个远超热中子探测器，对于近超热中子探测器和远超热中子探测器的特殊中子屏蔽，可能还有一个热中子探测器。

设置中子源监视器的目的是，要它主要对从源发出的未经慢化的中子，也即那些没有与地层或钻井发生作用的中子灵敏。继而，中子源监视器产生一个正比于中子源输出强度的信号。

近超热中子探测器放在临近中子源处。对近超热中子探测器的屏蔽，最好将它的低能中子探测阈值，提高到接近10ev，同时保持较高能中子的灵敏度。最好，在近超热中子探测器周围用慢化中子一吸收中子材料组成一个环。这样的安排，在全部有意义的范围（0%-40%）内，提高了孔隙度的灵敏度。最好，在中子源和近超热中子探测器之间，不放置高密度屏蔽，能使近超热中子探测器，对源有非常靠近的间距。这样靠近的源-探测器间距，有助于提高比例孔隙度的灵敏度。