一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法技术

本发明专利技术公开了一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，首先结合快中子散射和伽马衰减理论表征非弹性散射伽马场分布，推出了伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹性散射截面等参数的数学关系；然后，基于非弹性散射伽马场分布，得到了利用快中子散射自由程和双探测器非弹性散射伽马计算密度的方法；再利用测量的快中子计数对快中子散射自由程进行了表征，得到了利用非弹性散射伽马和快中子场直接计算地层密度的新方法。该方法避免了含氢指数校正，为中子伽马密度测井提供了技术支持和理论指导。

Neutron gamma density logging method characterized by fast neutron field distribution

The invention discloses a method for neutron gamma density logging field characterized by fast neutron decay theory, first characterization of inelastic scattering gamma race distribution combined with fast neutron scattering and gamma, introduced a mathematical relationship between the gamma distribution and density, race free path of fast neutron scattering and inelastic scattering cross section parameters; then, inelastic scattering gamma distribution based on race, obtained by fast neutron scattering free and double detector inelastic scattering gamma density calculation method; then using fast neutron counting measurements of fast neutron scattering free path was characterized, get a new method for direct calculation of formation density using inelastic scattering gamma and fast neutron field. This method avoids the correction of hydrogen content index and provides technical support and theoretical guidance for neutron gamma density logging.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油天然气开发领域，具体涉及一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法。
技术介绍
中子伽马密度测井技术采用D-T中子源，通过记录快中子与地层元素原子核作用产生的非弹性散射伽马射线，能够实现地层密度的“无源”测量，对实现随钻地层参数测量和降低辐射危害具有重要意义，是当前核测井发展的热点问题。中子伽马密度测井中伽马源分布和伽马射线与地层的物理过程十分复杂，与传统密度测井存在本质区别。目前，中子伽马密度测井主要是通过探测非弹性散射伽马射线进行地层密度测量，计算结果受含氢指数影响较大，通常需要采用俘获伽马或热中子进行含氢指数校正。
技术实现思路
针对现有中子伽马密度测井的含氢指数校正问题，本专利技术提出了一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，该方法结合快中子散射和伽马射线衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布，推出伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹性散射截面等参数相关，最终得到了利用非弹性散射伽马和快中子场直接表征地层密度的新方法，避免了含氢指数校正，为中子伽马密度测井提供了技术支持和理论指导。本专利技术所采用的技术解决方案是：一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，包括以下步骤：(1)结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布，推出非弹性散射伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹性散射截面相关；(2)根据非弹性散射伽马场分布，得到利用非弹性散射伽马和快中子散射自由程表征密度的计算方法；(3)通过测量快中子通量对快中子散射自由程进行表征，得到利用非弹性散射伽马和快中子场直接计算地层密度的方法。上述步骤(1)中：结合快中子散射和伽马衰减理论来表征的非弹性散射伽马场分布如下其中，S0为中子源强度，λs为快中子散射自由程，μm为非弹性散射伽马射线质量吸收系数，ρ为地层密度，i为一个快中子与原子核发生非弹性碰撞平均释放的伽马光子数，R为球面探测器半径，Σin为地层宏观非弹性散射截面。根据仪器结构设计，伽马探测器源距一般大于30cm，源和探测器之间区域对探测器非弹性散射伽马计数贡献高达95％以上，非弹性散射伽马场分布简化为通过拉格朗日中值定理，非弹性散射伽马场分布变换为其中，a为比例系数，取值与源距相关。上述步骤(2)中：利用非弹性散射伽马场分布式(3)，得到单探测器非弹性散射伽马确定密度的方法采用单探测器非弹性散射伽马进行地层密度测量，需要同时测量非弹性散射截面Σin、快中子散射自由程λs等多个参数，不利于地层密度计算。根据单探测器密度表征方法，可采用双探测器信息组合对地层密度表征方法简化，具体如下：假定近、远探测器源距分别为R1和R2，近、远探测器非弹性散射伽马确定密度的形式如下利用近、远探测器密度表达式消去ln(iΣinS0)项，得到双源距非弹性散射伽马密度计算方法其中，斜率A为非弹性散射伽马计数比对数ln(φin1/φin2)的密度灵敏度倒数；截距ρ0(λs)为ln(φin1/φin2)＝0时对应的地层密度值，与快中子散射自由程相关。当探测器源距固定时，采用双源距非弹性散射伽马进行地层密度测量，只需测量近、远非弹性散射伽马计数和快中子散射自由程。上述步骤(3)中：根据快中子散射理论，发生非弹性散射的快中子通量φf与快中子散射自由程满足关系其中，R3为快中子探测器源距；利用快中子通量对快中子自由程进行表征，得到利用非弹性散射伽马和快中子场表征地层密度的方法当仪器探测器源距固定时，式(9)可表示为ρ＝Aln(φin1/φin2)+Blnφf+C(10)其中，A、B和C是常数，只与探测器源距R1、R2、R3和中子源强S0相关。实际应用中，不需要对快中子自由程和中子源强度进行测量，可通过建立非弹性散射伽马计数比对数密度曲线截距ρ0(λs)和快中子计数的关系直接完成快中子散射自由程的表征ρ0(λs)＝Blnφf+C(11)。本专利技术的有益技术效果是：相比现有技术，本专利技术结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布，推出伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹散射截面等参数的数学关系，最终得到了利用非弹性散射伽马和快中子场直接表征密度的新方法，避免了含氢指数校正，为中子伽马密度测井提供了技术支持和理论指导。附图说明图1为本专利技术中非弹性散射伽马场分布推导模型示意图。图2为蒙特卡罗数值模拟方法建立的随钻中子伽马仪器-地层模型。1.仪器外壳，2.D-T中子源，3.屏蔽体，4.快中子探测器，5.近伽马探测器，6.远伽马探测器，7.饱和水石灰岩地层，8.井眼水，9.钻铤，10.泥浆导流通道。图3为图2的侧视图。图4为不同含氢指数条件下近、远非弹性散射伽马计数比对数与密度的响应关系。图5为不同含氢指数条件下快中子计数对数与密度的响应关系。图6为不同含氢指数对应的非弹性散射伽马计数比密度曲线截距ρ0(λs)与快中子计数对数的关系。图7为利用快中子场分布表征的中子伽马密度计算结果。具体实施方式本专利技术提供了一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，该方法结合快中子散射和伽马衰减理论表征了非弹性散射伽马场分布，得到利用非弹性散射伽马和快中子场直接表征地层密度的方法，避免了含氢指数校正，依次包括以下步骤：(1)结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布，推出非弹性散射伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹性散射截面等参数相关。建立如图1所示的推导模型；中子源位于均匀无限大球状地层的中心位置(O点)，向地层均匀发射14MeV快中子；以O为球心，设置半径为R的球面探测器A记录来自地层的非弹性散射伽马射线；结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布如下其中，S0为中子源强度，λs为快中子散射自由程(与快中子场分布相关，随着含氢指数发生变化)，μm为非弹性散射伽马射线质量吸收系数，ρ为地层密度，i为一个快中子与原子核发生非弹性碰撞平均释放的伽马光子数，Σin为地层宏观非弹性散射截面。下式中采用相同符号所表示的含义同上。根据仪器结构设计，伽马探测器源距一般大于30cm，源和探测器之间区域对探测器非弹性散射伽马计数贡献高达95％以上，非弹性散射伽马场分布简化为通过拉格朗日中值定理，非弹性散射伽马场分布变换为其中，a为比例系数，取值与源距相关。(2)根据非弹性散射伽马场分布，得到利用非弹性散射伽马和快中子散射自由程表征密度的计算方法。利用非弹性散射伽马场分布式(3)，得到单探测器非弹性散射伽马确定密度的形式采用单探测器非弹性散射伽马进行地层密度测量，需要同时测量非弹性散射截面Σin、快中子散射自由程λs等多个参数，增加了密度计算难度。根据单探测器密度表征方法，可采用双探测器组合的方法简化密度计算方法，具体如下：假定近、远探测器源距分别为R1和R2，近、远探测器非弹性散射伽马确定密度的形式如下利用近、远探测器密度表达式消去ln(iΣinS0)项，得到双源距非弹性散射伽马密度计算方法其中，斜率A为非弹性散射伽马计数比对数ln(φin1/φin2)的密度灵敏度倒数；截距ρ0(λs)为ln(φin1/φin2)＝0时对应的地层密度值，与快中子散射自由程相关。当探测器源距固定时，采用双源距非弹性散射伽马进行地层密度测量，只需测量近、远非弹性散射伽马计数和快中子散射自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，其特征在于包括以下步骤：(1)结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布，推出非弹性散射伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹性散射截面相关；(2)根据非弹性散射伽马场分布，得到利用非弹性散射伽马和快中子散射自由程表征密度的计算方法；(3)通过测量快中子通量表征快中子散射自由程，得到利用非弹性散射伽马和快中子场计算地层密度的方法。

【技术特征摘要】
1.一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，其特征在于包括以下步骤：(1)结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布，推出非弹性散射伽马场分布与密度、快中子散射自由程及非弹性散射截面相关；(2)根据非弹性散射伽马场分布，得到利用非弹性散射伽马和快中子散射自由程表征密度的计算方法；(3)通过测量快中子通量表征快中子散射自由程，得到利用非弹性散射伽马和快中子场计算地层密度的方法。2.根据权利要求1所述的一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，其特征在于，步骤(1)中：结合快中子散射和伽马衰减理论来表征非弹性散射伽马场分布如下φin(R)=∫0∞iΣinS0e-r/λse-ρμm|r-R|dr4πR2=iΣinS04πR2[2ρμme-R/λs-(ρμm+1/λs)e-ρμmR(ρμm)2-1/λs2]---(1)]]>其中，S0为中子源强度，λs为快中子散射自由程，μm为非弹性散射伽马射线质量吸收系数，ρ为地层密度，i为一个快中子与原子核发生非弹性碰撞平均释放的伽马光子数，R为球面探测器半径，Σin为地层宏观非弹性散射截面。3.根据权利要求2所述的一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，其特征在于：非弹性散射伽马场分布简化为φin(R)≈iΣinS0∫0Re-r/λse-ρμm(R-r)dr4πR2=iΣinS04πR2(e-R/λs-eρμmRρμm-1/λs)---(2)]]>通过拉格朗日中值定理，非弹性散射伽马场分布变换为φin(R)=iΣinS04πRe-R[(1-a)(1/λs)+aρμm]---(3)]]>其中，a为比例系数，取值与源距相关。4.根据权利要求3所述的一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，其特征在于，步骤(2)中：利用非弹性散射伽马场分布式(3)，得到单探测器非弹性散射伽马确定密度的形式ρ=-1Raμmlnφin-R(1-a)Raμm1λs+1Raμmln(iΣinS0)-ln(4πR)Raμm---(4).]]>5.根据权利要求4所述的一种利用快中子场分布表征的中子伽马密度测井方法，其特征在于，根据单探测器密...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锋，张泉滢，刘军涛，吴赫，陈前，赵靓，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37