存储式补偿中子测井仪研制

曾晓丰，蔡志明，吉　兆，张雄辉，陈召军

(川庆钻探工程有限公司测井公司　重庆 　400021)



·开发设计·

存储式补偿中子测井仪研制

曾晓丰，蔡志明，吉兆，张雄辉，陈召军

(川庆钻探工程有限公司测井公司重庆 400021)

摘要：介绍了存储式补偿中子测井仪器的研制过程。仪器设计的关键是在外径小的情况下寻找探测器最佳源距以及仪器硬件、软件的设计。通过建立蒙特卡洛模型和利用在标准刻度井的实际测量数据来确定合理的源距。重点介绍了仪器的源距选择、仪器硬件电路设计、软件设计流程等。现场测井证实仪器设计是合理的，能较好地反映地层的相关信息。

关键词：存储式；补偿中子测井仪；蒙特卡洛模型

0引言

存储式补偿中子测井仪是一种具有两道热中子探测器的中子强度测井仪器，与常规补偿中子测井仪一样，主要通过沿井剖面测量同位素中子源造成的热中子通量密度来解决某些地质问题[1]，使用的是源为18ci的各向同性Am-Be源[2]，但仪器外径仅有60 mm。存储式补偿中子测井仪通常下端连接偏心井径仪达到源仓紧贴井壁的效果。测井时将长、短源距计数等数据存储在仪器内部，测井结束后与地面系统连接，读取数据、计算和时深转换后可以测定裸眼井的地层孔隙度以及判断岩性。多口复杂井的施工作业表明，存储式补偿中子测井仪设计是可靠的。本文介绍存储式补偿中子测井仪的设计与实现。

1模拟研究

存储式补偿中子测井仪设计关键就在于拟合出最佳的源距。通过建立模型和在标准刻度井刻度数据进行分析，可模拟出在不同源距的情况下，孔隙度与热中子通量的关系，从而选择合理的源距。

1.1建立蒙特卡洛模型

需要建立的模型有两个：井模型和中子源模型。井的模型以西安中油测井标准刻度井群的数据[3]为基础建立，模型如图1所示。考虑到勘探井实际情况，模型的井眼大小为200mm，岩层的孔隙度变化范围为13.2%、20.2%、30%、37.2%。井眼流体为淡水，仪器在的井眼中处于偏心状态。源的模型为单能量而且各向同性的点源。长、短源距探测器可根据模拟的需要移动位置以改变源距。

图1　模拟井模型

1.2模拟测井规律

长、短源距均使用的是He3探测器，它对1eV能量以下的热中子具有较大的探测效率[4]，当探测器探测到一个热中子时产生一个计数脉冲，测井是以脉冲个数来标定孔隙度的，热中子通量与He3探测器产生的脉冲个数成正比关系。可以通过此关系研究热中子通量与孔隙度变化的规律。

图2为四个孔隙度条件下热中子通量与源距的模拟关系图。从图中可以看出，15～20cm之间为不同孔隙度的交叉带，He3探测器的灵敏度很低。源距进一步减小时，热中子通量随孔隙度的增加而增大，这是由于氢原子使中子能量迅速减到热中子能级。如果增加源距(≥20cm)，热中子通量随孔隙度的增大而减小，中子在迁移这样的距离之前，已被减速和俘获。

图2　不同孔隙度条件下热中子通量与源距的对应关系

因此探测器与源的距离必须小于10 cm或最好大于30 cm。当源距小于10 cm时，孔隙度增大，计数率上升，对于补偿中子测井来说意义不大。若选择的源距大于30 cm时，孔隙度增大，计数率减小。随着源距的增加，计数率比值呈指数减小，地层探测的灵敏度随着源距的增加而增加。若随着源距继续地增加，热中子通量将呈指数下降，即计数率值急剧减小，测量的统计误差增大因此不能选择太大的源距。

1.3源距的选择

由于长、短源距探测器计数率与源距离变化趋势一样[5]，从提高仪器分辨能力来说，源距大点好一些。但是源距增大，计数率以指数规律下降，统计误差大增，使测量的数据精度变差。由于是补偿法测量，需依据长短源距计数率的比值与孔隙度的关联来实现测量，因此根据不同孔隙度条件下热中子通量与源距的对应关系分析，在图1模型中设置存储式补偿中子测井仪的短源距为30～40cm，长源距为50～65cm，并模拟计算长短源距计数率比值随孔隙度变化关系图，如图3所示。

图3　模拟数据与刻度井实测数据对比

2仪器设计

2.1机械结构设计

存储式补偿中子测井仪最高耐温为175℃，最高承压为140 MPa，仪器外径为60mm，受外径限制，仪器没有保温瓶设计。主要包括电子线路部分、探测器部分和中子源短节部分。上下接头均采用连接方便的WTS结构。仪器结构示意图如图4所示。

图4　存储式补偿中子测井仪结构示意图

2.2硬件电路设计

存储式补偿中子测井仪硬件部分由长、短源距探测器、前置放大电路、信号处理电路、高压模块电路等组成。

长、短源距探测器输出的脉冲经前置放大电路放大，再在信号处理电路板上进行缓冲放大，进入混合电路进行处理，由里面的脉冲幅度对比电路甄别掉噪声后输入到分频器中分频，分频后的信号由整形器将它整形成幅度和宽度一致的脉冲输出，输出的长、短源距脉冲信号输入到数据存储电路存储。高压电源产生一组高压，经过高压滤波板处理输出，分别提供长、短源距探测器使用。硬件电路框图如图5所示。

图5　硬件电路框图

2.3软件设计

数字信号处理器DSP控制井下仪器的数据存储电路的工作，其工作过程为：准备测井时，利用地面系统主计算机的串行通信，通过临时连接与准备下井的存储补偿中子测井仪进行通信，向井下数据采集系统授时，使地面系统与井下部分时钟校准一致。地面系统主计算机记录钻具下井深度与时间的对应关系，仪器供电后DSP处理器控制以等时的方式将井下仪器送来脉冲信号进行采样，并将采样数据与时间以文件的形式记录在大容量存储器中，从而获得数据与时间的对应关系，进而能取得深度与数据的对应关系。为了防止存储器出现坏区而丢失数据，采用坏区管理技术，防止数据存储在坏区，较大提高了存储数据的安全性。存储式补偿中子测井仪与地面系统的通讯控制是由中断服务子程序来实现的，当总线上有命令信号时转向中断服务子程序，子程序解码、编码命令，并根据命令中包含的地址信息来判断是否为本仪器命令，若为本仪器命令，则执行读取存储数据并上传数据等工作。程序流程如图6所示。

图6　程序流程图

3设计验证

3.1标准井对比

仪器设计完成后在标准刻度井刻度并记录了长短源距计数率比值随孔隙度变化关系，与最初模拟的数据基本一致，如图3所示。同时，与5700补偿中子测井仪在标准井中进行对比，图7中实线是5700补偿中子测井仪在标准刻度井的测井曲线，虚线是存储式补偿中子测井仪在标准刻度井的测井曲线。可以看出，存储式补偿中子测井仪在同一地层所测值与5700补偿中子测井仪基本一致，中低孔隙度的岩层误差控制在7%以内。

图7　存储式补偿中子测井仪与5700补偿中子测井仪标准井资料对比图

3.2现场验证

仪器在重庆地区某大斜度井与5700补偿中子测井仪进行测井资料对比。井底温度129℃；泥浆密度2.28 g/cm3；测量井段3064.01～4782.00m。测井资料如图8所示。

图8　存储式补偿中子测井仪与5700补偿中子测井仪测井资料对比图

从现场测井资料对比看，存储式补偿中子测井仪与5700补偿中子测井仪在4430～4435m，孔隙度超过40%的井段一致性差，低于40%的井段基本一致。由于受仪器外径限制，存储式补偿中子测井仪只适合测量小于40%的孔隙度，仪器性能达到了预期设计效果。

4结论

1)存储式补偿中子测井仪投入测井施工已有一年的时间，根据现场应用情况来看，能较好地反映地层真实信息，设计是成功的。

2)由于仪器外径只有60mm，探测器变小，建立新的计算模型并将模拟与刻度数据相结合是确定仪器最佳源距的有效设计手段。

3)通过模拟数据和刻度数据对比分析发现，模拟与刻度数据基本一致。因此利用模拟方法设计仪器可有效降低设计成本。

参 考 文 献

[1] 黄隆基.核测井原理[M].东营:石油大学出版社,2000:102-119.

[2] 张锋,袁超,黄隆基.中国同位素中子源测井技术与应用进展[J].2011,24(1):12-19.

[3] 国家经济贸易委员会.SY/T6582.4-2003 石油核测井仪刻度第4部分:补偿中子测井仪刻度[R].北京:石油工业出版社,2003:1-12.

[4] 严岩,李炳营,郑世平,等. D-D中子源孔隙度测井的蒙特卡洛模拟[J].兰州大学学报:自然科学版,2012,56(3):123-127.

[5] 夏凌志,张建民,杨志高,等. 蒙特卡罗方法在补偿中子测井仪器设计中的应用[J].测井技术. 2003,27(6):477-480.

Development of Memorized Type Compensated Neutron Instrumen

tZENG Xiaofeng，CAI Zhiming，JI Zhao，ZHANG Xionghui，CHEGN Zhaojun

(WellLoggingCompanyChuanqingDrillingEngineeringCO.LTD，CNPC,Chongqing400021，China)

Abstract：The designing process of the memorized type compensated neutron logging instrument is introduced. The key of the designing is the design of hardware and software of the instrument and choosing the distance between the probe and radiation source in the case of small diameter. The reasonable distance between the probe and radiation source was determined through the establishment of the Monte Carlo model and the use of the actual measurement data in the standard calibration well. The selection of the distance between the probe and radiation source, hardware circuit design, software design process are introduced emphatically. The on-site logging showed that the design is reasonable, which can better reflect the relevant information of the formation.

Key words：memory; compensated neutron logging tool; the Monte Carlo model

(收稿日期：2015-12-01编辑：姜婷)

中图法分类号：P631.8+17

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)02-0015-04

第一作者简介：曾晓丰，男，1976年生，高级工程师，2000年毕业于西南石油大学测控技术专业，现在川庆测井公司从事测井仪器的研发工作。E-mail:clszxf@163.com