阵列中子孔隙度测井仪研究

2019-05-13褚庆军

测井技术 2019年1期

褚庆军

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司, 黑龙江大庆 163412)

0 引言

阵列中子孔隙度测井是一种采用脉冲中子源的超热中子孔隙度测井技术,采用多组不同源距的超热中子探测器及一组热中子探测器,使之具有较高的分层能力。在一次测井施工中获得地层俘获截面和6种孔隙度,适用于套前、套后测井,特别适合进行薄层测量、复杂岩性测量、高矿化度地区测井以及恶劣井眼条件测井[1]。其中技术比较成熟的主要是斯伦贝谢公司的新一代集成孔隙度、岩性测井仪IPL测井仪。该仪器由3个探头和1个电子线路短节组成的模块式的测井仪器系统,其APS阵列探头利用可控超高产额中子源代替传统的化学源,是仪器的核心部分。本文介绍了拥有全部自主知识产权的国产阵列中子孔隙度测井仪。

1 阵列中子孔隙度测井的原理

阵列中子孔隙度测井仪采用脉冲中子发生器作为放射源,使用2个探测器获得的计数比值可以表达孔隙度信息。在均匀无限介质中,当源距足够大时,对点状快中子源造成的热中子分布关系[2]为

(1)

式中,Nt为热中子(超热中子)计数率;r1、r2为源距;Ls为扩散长度。可以看出,计数比只与地层减速性质有关,可以很好地反映地层的孔隙度信息。超热中子比值孔隙度与热中子比值孔隙度原理相同,可消除中子发生器产额变化的影响,同时可部分消除井眼影响[3],但受岩性和岩石骨架密度影响大。

超热中子寿命也可以计算出超热中子寿命孔隙度,寿命孔隙度受岩性和岩石骨架密度影响小,受井眼影响大。超热中子寿命算法为

(2)

式中,N1为t1时刻探测器记录的计数;N2为t2时刻该探测器记录的计数。

通常超热中子及热中子计数率、超热中子及热中子比值、超热中子寿命均可采用三次多项式拟合出与孔隙度的响应关系,即

φ=a0+a1R+a2R2+a3R3

(3)

式中,a,a1,a2,a3为系数;R为计数率、计数率比值、或超热中子寿命τ;φ为孔隙度。对于不同的阵列中子孔隙度测井仪,其响应方程系数将不同。

不同孔隙度有不同的影响因素,仪器与井壁间隙对超热中子孔隙度影响大、对热中子孔隙度影响小;地层水矿化度对热中子孔隙度影响大、对超热中子孔隙度影响很小;间隙对超热中子比值孔隙度和超热中子寿命孔隙度影响权重不同,可以根据这些曲线的差异判断间隙和定性估计地层水矿化度等。地层宏观俘获截面是地层俘获热中子能力的量度,它由所含核素的微观俘获截面所决定,如盐水地区的地层中含氯较高,由于氯的俘获截面比地层其他常见元素俘获截面大得多,因而,在地层孔隙度比较大,且地层水矿化度比较高的情况下,可以由热中子寿命获得地层含水饱和度信息。

2 仪器设计关键技术

阵列中子孔隙度测井仪最高工作温度150 ℃,最大耐压100 MPa,外径89 mm,最大测速达240 m/h,套后测井纵向分辨率达到0.5 m;采用CAN总线通讯,配接HY1000测井系统。阵列中子孔隙度测井仪由电源短节、发射探测短节、上下偏心短节等4个短节构成,测井方式为贴井壁偏心测量。电源短节输出低压直流电给中子发生器供能;发射探测短节包括中子发生器、阵列中子探测器(由近、中、远超热中子探测器和热中子探测器组成)、主放大器、低压电源、高压电源、采集控制电路等;偏心短节弹簧组由2个夹角为90°的弹簧弓组成,每个偏心短节上都有2个限位槽,与弹簧组形成可上下滑动的防卡结构。

2.1 中子发生器设计

中子发生器由中子管和中子管外围电路构成。中子管是中子发生器的核心部件,是将离子源、加速系统、靶子及气压调节系统密封在一个陶瓷或玻璃管内形成的一个小型加速器[4]。阵列中子孔隙度测井仪使用的中子管采用冷阴极潘宁离子源。中子发生器输出中子时间取决于中子管阳极脉冲高压的频率。阵列中子孔隙度测井仪中子管阳极脉冲高压为2 kV,一个完整的阳极脉冲高压工作周期时长2 000 μs,包括15个连续快方式(脉冲宽度15 μs+间歇65 μs)和一个慢方式(脉冲宽度20 μs+间歇780 μs)。慢方式用于记录热中子时间谱,共80道、每道时间10 μs,该模式下阳极脉冲频率低、占空比小。快方式下阳极脉冲工作频率高、占空比大,用于记录超热中子时间谱。成型的中子发生器中子爆发时间约为12 μs,占空比约1/9,提高占空比会增大靶压供电电路负载,过大的占空比将造成中子发生器不能长时间稳定工作。在中子发生器研制过程中通过不断测试确定快模式,保证高占空比情况下中子发生器能长时间稳定工作。在17.3%孔隙度砂岩层地层近、中、远超热中子对数时间谱中,每张谱共40道、每道2 μs,20道处依然存在计数,不可忽略;在40道处几乎没有了计数,不会影响下个循环计数。

中子发生器设计有2个难点:①要有足够高的瞬间中子产额;②阳极脉冲高压不能有长冲和拖尾。

正常情况下,靶压高低决定阳极脉冲高压持续期间中子产额得大小。成型的中子发生器中子产额约为1.0×108s-1,如果在此基础上,将中子发生器的中子产额提高50%,那么靶压相应的要升高10 kV。靶压升高首先要解决绝缘问题,主要方法:①倍压器骨架材料使用绝缘效果良好的聚四氟乙烯;②以多层聚酰亚氨薄膜制成的绝缘筒作为倍压器与外壳之间的绝缘支撑体;③以1 MPa的六氟化硫气体作为绝缘介质充满中子发生器密封筒内的所有缝隙;④对中子管进行充分老化,使中子管可以在更高的靶压下稳定工作。靶压供电采用地面直流供电的方式,靶压相对稳定,必备采用中子发生器高压自动控制系统[5]。为了防止因中子管工作状态不稳定产生的电脉冲导致靶压供电电路、钛丝供电电路损坏,对靶压增设了关断保护电路。

在阳极脉冲电路里,接一个监视阳极电流的采样电阻,流经采样电阻的阳极电流会使电阻上产生电压,反应中子管的工作状态,叫作采样电压。中子管出现任何不稳定状态都会在阳极采样电压上有及时的反映。仪器的中子管正常工作时,阳极电流会稳定在相应的范围之内。通过实验测试可以给出中子管正常工作时的阳极电流范围。靶压关断保护电路设置了2个阈值:下阈值和上阈值。当阳极采样电压低于下阈值或高于上阈值时,保护电路都会自动切断靶压供电电源使靶压电路停止工作。因为没有靶压供应,仪器电路和中子管就不会损坏。进入保护状态以后,不能自动恢复,只有重新启动仪器才能使靶压电路再次工作。

阳极脉冲电源输入为180 V直流电源,经过变压器升压后提供2 kV的脉冲电压,脉冲的周期由同步信号控制。控制信号由幅度为15 V的同步脉冲充当。变压器升压产生阳极脉冲高压存在上冲和拖尾现象,不利于快方式测量。因此,应用了一种阳极高压控制电路,采用高压开关来代替变压器直接生成阳极脉冲高压。输入端中,高压由成品高压电源模块提供,其值为2 kV,由同步信号控制输出阳极高压。当同步信号为高电平时,高压输出端与直流高压相连,与地断开,阳极高压为2 kV;当同步信号为低电平时,高压输出端与地相连,与直流高压断开,阳极高压为0 V。在输出端中,阳极高压为交流高压电源,其波形为方波,这样就解决了阳极脉冲高压上冲和拖尾问题。

2.2 阵列探测器设计

为提高仪器的纵向分辨率,参考关于多探测器中子测井仪探测器阵列的设计方法[6],设计了近、中、远3组超热中子探测器;为测量热中子寿命,设计了1组热中子探测器。热中子探测器为3He管,超热中子探测器为在外侧包裹一层热中子吸收层的3He管。考虑到热中子寿命的源距范围,确定4组探测器源距由小到大依次为近超热中子探测器、中超热中子探测器、热中子探测器、远超热中子探测器。由于超热中子探测深度浅,受井内流体的影响大,所以采用了贴井壁测量方式,能更真实获取地层信息。近超热中子探测器主要功能是用于比值孔隙度测量和中子发生器工作效率检测,采用屏蔽体全包围结构。中超、远超及热中子探测器均采用屏蔽体半包围结构,中超探测器为增加计数及防信号堆积采用双3He管并列结构。在确定探测器基本结构后,设计难点就是3He管尺寸、气压选择以及超热中子探测器屏蔽层和探测器骨架屏蔽体材料选择。从探测效率和质量上看,英国Centronic公司的3He管较强,该公司生产的3He管直径标准尺寸有0.75、1、1.5 in[注]非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同等。3He管气压越高、体积越大其探测效率越高,所以选取3He管时尽量选取可用最大直径,长度要考虑源距因素。确定近超3He管直径1 in,长度11.6 cm,中超及热中子3He管直径1 in,长度7.4 cm,远超3He管直径为1.5 in,长度183 cm。远超探测器体积大,气压采用0.8 MPa;其余探测器均采用1 MPa。

3 孔隙度校正方法

由于比值孔隙度受井眼影响小,阵列中子孔隙度采用近/中或近/远孔隙度为标准孔隙度,超热中子寿命孔隙度用于校正计算。对孔隙度的校正方法采用蒙特卡罗数值模拟方法。MCNP程序是美国Los Almos实验室研制的有关中子、光子输运的通用蒙特卡罗方法计算程序,可计算各种类型探测器的效率,能精确考虑探测器的结构和尺寸,不需要做结构简化和近似处理,所得结果较精确[7]。

建立标准井模型,主要包括源仓、近、中、远超热中子探测器、热中子探测器、地层、水泥环、套管、井眼等结构。模型的地层高为150 cm,圆柱状地层的半径为11.4～62.4 cm。仪器直径为3.5 in,贴井壁放置。套前模型无套管和水泥环;套后模型套管直径分别为5.5 in和7.5 in,其壁厚为0.772 cm,水泥环厚度分别为3、4.7、5.5 cm。源仓发射能量为14 MeV的脉冲中子。4类探测器均为3He计数管,分别为近超热中子探测器、中超热中子探测器、热中子探测器、远超热中子探测器。

3.1 比值孔隙度的岩性校正

孔隙度相同但岩性不同的地层,超热中子的计数不同,对超热中子比值孔隙度影响更大。中子孔隙度测井仪通常以石灰岩孔隙度为标准进行刻度,记录的孔隙度是石灰岩孔隙度,要计算砂岩、白云岩的孔隙度要以石灰岩孔隙度为标准进行岩性校正。以目的层钻头尺寸为21.5 cm、地层岩性石灰岩的裸眼井模型为例,应用蒙特卡罗数值模拟方法分别对砂岩和白云岩的视近/中比孔隙度、视近/远比孔隙度进行校正,校正图版如图1所示。可见在该模型下地层真实孔隙度相同时砂岩的视比值孔隙度比石灰岩小,在地层真实孔隙度40%～50%区间差值最大。在该模型下地层真实孔隙度相同时白云岩的视比值孔隙度比石灰岩大,在地层真实孔隙度约50%时差值最大。

图1 比值孔隙度的岩性校正图版

3.2 比值孔隙度的间隙校正

以选择纵向分辨率匹配的比值孔隙度和超热中子寿命孔隙度为原则,以套管直径为5.5 in、水泥环厚度为3 cm、水泥环密度为1.9 g/cm3、井液密度为1.6 g/cm3为例,应用蒙特卡罗数值模拟方法对比间隙对近/中孔隙度和中超寿命孔隙度的影响。结果显示近/中孔隙度受间隙影响小,对比之下中超热中子寿命孔隙度受间隙影响很大。所以应用中超热中子寿命孔隙度可以对近/中孔隙度进行有效的间隙影响补偿。基于以上模型,得到近/中孔隙度的间隙校正图版如图2所示。

图2 近/中孔隙度的间隙校正图版

3.3 套后测井比值孔隙度的水泥环校正

建立的套后刻度井模型中,水泥环密度设定为1.6、1.9 g/cm3。通过蒙特卡罗数值模拟方法,得到若干水泥环厚度和密度的校正图版,测井时进行实时插值处理得到校正后的孔隙度值。以目的层钻头尺寸21.5 cm、套管直径5.5 in、水泥环密度1.87～1.89 g/cm3为例,近/远孔隙度校正选用的图版为套管直径5.5 in、水泥环密度1.9 g/cm3(见图3)。

图3 孔隙度水泥环校正图版

根据图3,对应0、5%、…、40%孔隙度的9条校正曲线近似满足线性关系

y=kx+b

(4)

式中,横坐标x代表视孔隙度;纵坐标y代表水泥环厚度;k、b分别代表每条曲线对应的系数,cm;视孔隙度大于40%的均按照40%处理;对近/远孔隙度进行校正时,视孔隙度小于等于2.5%时采用对应0孔隙度的校正曲线k值,视孔隙度范围在2.5%～7.5%时采用对应5%孔隙度的校正曲线k值,后面以此类推。在图版模型下,水泥环厚度约为3.77 cm,其与视孔隙度φa、地层真实孔隙度φ0满足关系

(5)

于是得到对应水泥环厚度为3.77 cm时的地层真实孔隙度校正公式

(6)

3.4 孔隙度的放射源强度校正

在高计数率的中子探测场合,探测器输出的相邻脉冲信号时常会出现部分或全部重合的情况(称为脉冲堆积)[8]。解决脉冲堆积的传统方案是采用堆积拒绝电路方法[9],直接摒弃堆积的脉冲,但限制了系统的脉冲通过率,同时增加了系统间歇时间[10]。阵列中子孔隙度测井仪除了一个用于计算地层宏观俘获截面的热中子探测器外,其他4个探测器均为超热中子探测器,探测效率要低于热中子探测器。通过堆积拒绝电路方法获得的超热中子计数会更低,这样就满足不了测量精度和测速要求。并且对于不同源距、不同尺寸及气压的3He管来说,同一个放射源所产生的堆积脉冲程度也是不一样的。具体表现就是源距越小的探测器堆积越严重,当放射源强度变化时会明显改变各探测器的堆积程度。中子发生器工作状态变化对放射源强度有很大影响,源强变化时各探测器的堆积程度也会发生变化,进而引起比值孔隙度发生变化。

中子管外围电路由离子源电路和靶压系统电路组成,离子源电路包括中子管阳极脉冲高压电路和钛丝供电电路。阳极脉冲高压电路工作周期和脉冲幅度都是固定的,对中子源强度没有影响。阵列中子孔隙度测井仪在某刻度井每个孔隙度地层140 V靶压左右时都对离子源电路电离幅度430±20 mV范围进行孔隙度测量,结果显示近/远孔隙度变化范围不超过1%孔隙度,中子发生器正常工作时电离幅度波动范围要小于20 mV,因此认为测井时中子管电离幅度设定好后对中子源强度没有影响。那么在离子源电路稳定的情况下,对中子源强度起决定性因素就是靶压的幅度。

经对试验数据的分析和整理,地层真实孔隙度、视近/远孔隙度、实时靶压间存在一定的对应关系。以140 V为标准靶压值,获得地层真实孔隙度与视比值孔隙度存在对应关系

(7)

式中,U为实时靶压;φa为视孔隙度;φ0为地层真实孔隙度。

随着使用时间的延长,中子管内钛丝、靶极含气量逐渐降低,在靶压和电离幅度不变的情况下中子产额会越来越低,比值孔隙度刻度系数会相应变化,需要对中子管定期进行刻度。