石油测井

2020-04-22

石油作为现代社会具有战略意义的工业原料，其消费水平成为衡量一个国家综合实力和经济发展程度的重要标志。石油产业在我国国民经济中具有举足轻重的作用。石油测井行业是伴随着石油工业发展而产生的，通过石油测井通常可以得到井眼中流体流量与密度、岩石含水量、中子吸收率等数据，并通过对测量数据的分析可以得知地层的含油饱和度和泥质含量等参数，从而划分油气水层，并能对注水区的水岩层进行解释，以指示剩余油的分布情况，同时还能通过多井解释对油藏类型、油水关系、产能和储量等进行综合研究。石油测井原理是在声学、电学、核物理等学科的基础上建立起来的，其中核测井是石油测井里的一个重要分支。

一、氧活化测井仪
（1）原理：
快中子射入地层后与地层物质发生相互作用，从而发生非弹性散射、弹性散射、俘获辐射和活化反应等。氧活化测井就是探测热中子被活化后放出的活化伽玛射线。氧活化反应的实质是氧原子吸收高能脉冲中子（大于10.2Mev），放出质子，产生放射性同位素N16，并引发一系列原子核反应,最后激发态的氧原子释放出高能伽玛射线，通过对伽玛射线时间谱的测量来反映油管内、环型空间、套管外含氧物质特别是水的流动状况。通过解析时间谱可以计算出水流速度,进而计算水流量。对于其他测井方法无法测量的0.01m/s的极低流速和大于2.0m/s的极高流速，该方法的测量效果明显。

（2）仪器组成包括：
仪器连接短节、数据通讯短节、多参数测量短节（磁定位、自然伽马、温度、压力）、中子管及探测器阵列等主要部分。

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中子管及探测器阵列

其中中子管及探测器阵列部分示意图如上图所示，主要包括：一个D-T中子发生器，上下各两个伽马晶体探测器，中子发生器高压及驱动、控制电路，伽马探测器高压及控制电路。
中子发生器：Φ30mm D-T中子发生器
伽马探测器：近中子管端探测器可选用NaI晶体探测器，源距分别为30—40cm、60cm；远中子管端探测器选用NaI晶体探测器，源距分别为60—70cm、100cm。
中子管控制电路：可以实现多种模式不同时序的控制。
伽马控制电路：可以实现不同模式下时间及能量多道测量。
整个中子发生器及探测器阵列可以实现上下翻转测量，以满足不同的水流流速要求。
多参数测量短节：
实现磁定位、自然伽马、温度及压力等环境参数的测量，主要目的用于实现深度校正及仪器深度定位。
（3）仪器技术指标
耐温：175℃
耐压：80MPa
直径：43mm
仪器长度：<6m
中子产额：3*108N/S
测量范围5m3/d—1000m3/d ±10%(标准套管内)
仪器结构：多参数短节+数据通讯短节+中子管及探测器阵列（可翻转）。
测量模式：磁定位/自然伽马模式，测量参数：CCL、GR；氧活化水流测量模
式，测量参数：4探头伽马时间谱及能谱；中子寿命模式，测量
参数：伽马时间衰减谱；碳氧比测量模式，测量参数：非弹伽马
能谱、俘获伽马能谱。

二、PNN（脉冲中子—中子）测井仪
（1）原理：
PNN脉冲中子—中子仪器的简称，使用中子发生器向地层发射14MeV的快中子，经过一系列的非弹性碰撞（10-8-10-7s）和弹性碰撞（10-8-10-7s），当中子的能量与组成地层的原子处于热平衡状态时，中子不再减速，此时它的能量是0.025eV，速度2.2×105cm/s，与地层原子核反应主要是俘获反应。

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PNN是记录和分析地层中还没有被地层俘获的热中子，通过长、短源距探测器的中子计数率变化，换算出地层的含氢指数фN（定义为单位体积地层中的氢元素数量，将单位体积淡水的含氢指数刻度为1），根据所测的含氢指数可计算地层的孔隙度。如果地层中含大量气体，中子的计数率会变的很高（比低孔隙度地层可能还高），这是因为气体中的氢密度很小缘故，这可以用来检测气层。

（2）仪器组成包括：
地面数据采集部分：地面数据采集面板、包括各种信号接口、地面供电电源、用于数据采集处理的计算机
井下仪器部分：通讯短节（含CCL以及井眼温度探头和仪器保温瓶温度探头）、自然伽马短节、中子探测器短节、中子发生器短节、仪器连接短节等主要部分。

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自然伽马短节:主要用于测量自然伽马曲线,与套管接箍定位器结合可用于定位及与裸眼井测井资料对比。仪器的主要部分是伽马晶体探测器、适于探测器操作的高压电源及放大电路、探测器信号采集及能谱处理电路。
中子探测器：位于中子发生器上面,内装有2个氦3热中子探测器,探测器用于探测未被地层俘获的热中子。2个氦3探测器分别与脉冲中子发生器相距0.4m 和0.7m 。每个探测器都有其高压电源、前级、放大成形、信号采集及处理电路。
中子发生器：内装有1支D-T中子管,离子源脉冲电源、靶高压电源、灯丝电源、采样电路及控制电路。
测井时仪器挂接顺序为:遥传短节+温度部分+磁定位部分+伽马+长源距接收器+短源距接收器+中子发生器。一次下井可以录取温度、磁定位、长短源距记数率、宏观俘获截面、长短源距记数率比、伽马共7条连续曲线。
（3）仪器技术指标
耐温：175℃
耐压：105MPa
直径：43mm
仪器长度：<6m
中子产额：3*108N/S
地层孔隙度范围：≥5%
地层水矿化度：＞1000ppm

三、地层元素测井仪
（1）原理：
地层元素测井是通过记录非弹伽马和俘获伽马能谱信息，以元素标准谱为基础，采用谱数据处理技术获取地层元素含量，通过氧化物闭合模型及聚类分析得到地层矿物含量，为解决地质问题提供了更加可靠有效的手段。元素能谱测井在地层矿物识别、岩性识别、确定地层粘土含量、计算骨架参数、研究沉积环境等方面有着广阔的应用前景。在所有测井技术中，地层元素测井是一种能从岩石成分角度解决岩性识别问题的非常有效的测井方法，对识别复杂储层岩性具有重要的意义。
快中子先被靶核吸收形成复核，而后放出一个能量较低的中子,靶核仍处于激发态，常常以发射伽马射线的方式释放出激发能而回到基态。由此产生的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。不同原子核发生非弹性散射反应截面和放出的γ射线能量不同，在地层中与快中子发生非弹性散射的主要有碳、氧、硅、钙及铁等元素的原子核。快中子经过一系列的非弹性和弹性散射，能量逐渐降低，形成热中子。靶核俘获一个热中子而变成激发态的复核，然后复核放出一个或几个伽马光子，放出激发能而回到基态。这种伽马射线称为热中子俘获伽马射线。不同原子核具有不同的能级，因而各种原子核放出的伽马射线能量也不相同。在元素测井中俘获伽马射线主要由氢、氯、硅、钙、铁、硫、钛、铬及钾等元素原子核与热中子发生的俘获作用产生。元素测井所要分析和测量的就是非弹散射伽马和热中子俘获伽马射线能谱。并通过一些解谱手段,得出地层各主要元素含量从而对地层进行分析和评价。

（2）仪器组成包括：
地层元素测井仪由高频率的D－T脉冲中子发生器、BGO晶体闪烁探测器、探测器硼套、高速井下传输线路和高强度钛外壳组成，并采用相应的中子和伽马屏蔽体来消除井眼等环境伽马的影响，其结构如(图)。

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探测器部分最大直径为120mm；探测器部分的上部和下部都是偏心设计，有利于其他偏心仪器的连接。脉冲中子源工作频率为10KHz；脉冲中子工作时序分为两个阶段，第一阶段包括950个重复工作的短周期，每个短周期工作时间为100μs，其中10～40μs记录非弹伽马信息，50～100μs记录俘获伽马信息；第二阶段包括50个工作时间为100μs的短周期，这个阶段关闭脉冲中子发生器，记录伽马本底谱，用于非弹谱和俘获谱本底的扣除。脉冲中子发生器较同位素中子源获得地层信息多。
（3）仪器技术指标
耐温：175℃
耐压：138MPa
直径：124mm
仪器长度：<5m
中子源类型：14MeV脉冲中子发生器
中子产额：3*108N/S
探测器类型：BGO
测量范围/MeV：0.5～10
输出数据：Si、Ca、Fe、AL、S、Ti、CL、Gd、H、C、O、Mg、K、Mn的产额；
测量方式：偏心测量

中子爆炸物检测

铀矿自然伽马能谱测井