曾曉豐，蔡志明，吉　兆，張雄輝，陳召軍

(川慶鉆探工程有限公司測井公司　重慶 　400021)

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·開發(fā)設(shè)計(jì)·

存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀研制

曾曉豐，蔡志明，吉兆，張雄輝，陳召軍

(川慶鉆探工程有限公司測井公司重慶 400021)

摘要：介紹了存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀器的研制過程。儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在外徑小的情況下尋找探測器最佳源距以及儀器硬件、軟件的設(shè)計(jì)。通過建立蒙特卡洛模型和利用在標(biāo)準(zhǔn)刻度井的實(shí)際測量數(shù)據(jù)來確定合理的源距。重點(diǎn)介紹了儀器的源距選擇、儀器硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)流程等?，F(xiàn)場測井證實(shí)儀器設(shè)計(jì)是合理的，能較好地反映地層的相關(guān)信息。

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)式；補(bǔ)償中子測井儀；蒙特卡洛模型

0引言

存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀是一種具有兩道熱中子探測器的中子強(qiáng)度測井儀器，與常規(guī)補(bǔ)償中子測井儀一樣，主要通過沿井剖面測量同位素中子源造成的熱中子通量密度來解決某些地質(zhì)問題[1]，使用的是源為18ci的各向同性Am-Be源[2]，但儀器外徑僅有60 mm。存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀通常下端連接偏心井徑儀達(dá)到源倉緊貼井壁的效果。測井時(shí)將長、短源距計(jì)數(shù)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部，測井結(jié)束后與地面系統(tǒng)連接，讀取數(shù)據(jù)、計(jì)算和時(shí)深轉(zhuǎn)換后可以測定裸眼井的地層孔隙度以及判斷巖性。多口復(fù)雜井的施工作業(yè)表明，存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀設(shè)計(jì)是可靠的。本文介紹存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1模擬研究

存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀設(shè)計(jì)關(guān)鍵就在于擬合出最佳的源距。通過建立模型和在標(biāo)準(zhǔn)刻度井刻度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可模擬出在不同源距的情況下，孔隙度與熱中子通量的關(guān)系，從而選擇合理的源距。

1.1建立蒙特卡洛模型

需要建立的模型有兩個(gè)：井模型和中子源模型。井的模型以西安中油測井標(biāo)準(zhǔn)刻度井群的數(shù)據(jù)[3]為基礎(chǔ)建立，模型如圖1所示?？紤]到勘探井實(shí)際情況，模型的井眼大小為200mm，巖層的孔隙度變化范圍為13.2%、20.2%、30%、37.2%。井眼流體為淡水，儀器在的井眼中處于偏心狀態(tài)。源的模型為單能量而且各向同性的點(diǎn)源。長、短源距探測器可根據(jù)模擬的需要移動(dòng)位置以改變源距。

圖1　模擬井模型

1.2模擬測井規(guī)律

長、短源距均使用的是He3探測器，它對(duì)1eV能量以下的熱中子具有較大的探測效率[4]，當(dāng)探測器探測到一個(gè)熱中子時(shí)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，測井是以脈沖個(gè)數(shù)來標(biāo)定孔隙度的，熱中子通量與He3探測器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)成正比關(guān)系?？梢酝ㄟ^此關(guān)系研究熱中子通量與孔隙度變化的規(guī)律。

圖2為四個(gè)孔隙度條件下熱中子通量與源距的模擬關(guān)系圖。從圖中可以看出，15～20cm之間為不同孔隙度的交叉帶，He3探測器的靈敏度很低。源距進(jìn)一步減小時(shí)，熱中子通量隨孔隙度的增加而增大，這是由于氫原子使中子能量迅速減到熱中子能級(jí)。如果增加源距(≥20cm)，熱中子通量隨孔隙度的增大而減小，中子在遷移這樣的距離之前，已被減速和俘獲。

圖2　不同孔隙度條件下熱中子通量與源距的對(duì)應(yīng)關(guān)系

因此探測器與源的距離必須小于10 cm或最好大于30 cm。當(dāng)源距小于10 cm時(shí)，孔隙度增大，計(jì)數(shù)率上升，對(duì)于補(bǔ)償中子測井來說意義不大。若選擇的源距大于30 cm時(shí)，孔隙度增大，計(jì)數(shù)率減小。隨著源距的增加，計(jì)數(shù)率比值呈指數(shù)減小，地層探測的靈敏度隨著源距的增加而增加。若隨著源距繼續(xù)地增加，熱中子通量將呈指數(shù)下降，即計(jì)數(shù)率值急劇減小，測量的統(tǒng)計(jì)誤差增大因此不能選擇太大的源距。

1.3源距的選擇

由于長、短源距探測器計(jì)數(shù)率與源距離變化趨勢一樣[5]，從提高儀器分辨能力來說，源距大點(diǎn)好一些。但是源距增大，計(jì)數(shù)率以指數(shù)規(guī)律下降，統(tǒng)計(jì)誤差大增，使測量的數(shù)據(jù)精度變差。由于是補(bǔ)償法測量，需依據(jù)長短源距計(jì)數(shù)率的比值與孔隙度的關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)測量，因此根據(jù)不同孔隙度條件下熱中子通量與源距的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析，在圖1模型中設(shè)置存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀的短源距為30～40cm，長源距為50～65cm，并模擬計(jì)算長短源距計(jì)數(shù)率比值隨孔隙度變化關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3　模擬數(shù)據(jù)與刻度井實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

2儀器設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀最高耐溫為175℃，最高承壓為140 MPa，儀器外徑為60mm，受外徑限制，儀器沒有保溫瓶設(shè)計(jì)。主要包括電子線路部分、探測器部分和中子源短節(jié)部分。上下接頭均采用連接方便的WTS結(jié)構(gòu)。儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀硬件部分由長、短源距探測器、前置放大電路、信號(hào)處理電路、高壓模塊電路等組成。

長、短源距探測器輸出的脈沖經(jīng)前置放大電路放大，再在信號(hào)處理電路板上進(jìn)行緩沖放大，進(jìn)入混合電路進(jìn)行處理，由里面的脈沖幅度對(duì)比電路甄別掉噪聲后輸入到分頻器中分頻，分頻后的信號(hào)由整形器將它整形成幅度和寬度一致的脈沖輸出，輸出的長、短源距脈沖信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)。高壓電源產(chǎn)生一組高壓，經(jīng)過高壓濾波板處理輸出，分別提供長、短源距探測器使用。硬件電路框圖如圖5所示。

圖5　硬件電路框圖

2.3軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理器DSP控制井下儀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的工作，其工作過程為：準(zhǔn)備測井時(shí)，利用地面系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)的串行通信，通過臨時(shí)連接與準(zhǔn)備下井的存儲(chǔ)補(bǔ)償中子測井儀進(jìn)行通信，向井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)授時(shí)，使地面系統(tǒng)與井下部分時(shí)鐘校準(zhǔn)一致。地面系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)記錄鉆具下井深度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，儀器供電后DSP處理器控制以等時(shí)的方式將井下儀器送來脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)與時(shí)間以文件的形式記錄在大容量存儲(chǔ)器中，從而獲得數(shù)據(jù)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而能取得深度與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了防止存儲(chǔ)器出現(xiàn)壞區(qū)而丟失數(shù)據(jù)，采用壞區(qū)管理技術(shù)，防止數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在壞區(qū)，較大提高了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性。存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀與地面系統(tǒng)的通訊控制是由中斷服務(wù)子程序來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)總線上有命令信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)子程序，子程序解碼、編碼命令，并根據(jù)命令中包含的地址信息來判斷是否為本儀器命令，若為本儀器命令，則執(zhí)行讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)等工作。程序流程如圖6所示。

圖6　程序流程圖

3設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1標(biāo)準(zhǔn)井對(duì)比

儀器設(shè)計(jì)完成后在標(biāo)準(zhǔn)刻度井刻度并記錄了長短源距計(jì)數(shù)率比值隨孔隙度變化關(guān)系，與最初模擬的數(shù)據(jù)基本一致，如圖3所示。同時(shí)，與5700補(bǔ)償中子測井儀在標(biāo)準(zhǔn)井中進(jìn)行對(duì)比，圖7中實(shí)線是5700補(bǔ)償中子測井儀在標(biāo)準(zhǔn)刻度井的測井曲線，虛線是存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀在標(biāo)準(zhǔn)刻度井的測井曲線?？梢钥闯?，存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀在同一地層所測值與5700補(bǔ)償中子測井儀基本一致，中低孔隙度的巖層誤差控制在7%以內(nèi)。

圖7　存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀與5700補(bǔ)償中子測井儀標(biāo)準(zhǔn)井資料對(duì)比圖

3.2現(xiàn)場驗(yàn)證

儀器在重慶地區(qū)某大斜度井與5700補(bǔ)償中子測井儀進(jìn)行測井資料對(duì)比。井底溫度129℃；泥漿密度2.28 g/cm3；測量井段3064.01～4782.00m。測井資料如圖8所示。

圖8　存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀與5700補(bǔ)償中子測井儀測井資料對(duì)比圖

從現(xiàn)場測井資料對(duì)比看，存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀與5700補(bǔ)償中子測井儀在4430～4435m，孔隙度超過40%的井段一致性差，低于40%的井段基本一致。由于受儀器外徑限制，存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀只適合測量小于40%的孔隙度，儀器性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

4結(jié)論

1)存儲(chǔ)式補(bǔ)償中子測井儀投入測井施工已有一年的時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，能較好地反映地層真實(shí)信息，設(shè)計(jì)是成功的。

2)由于儀器外徑只有60mm，探測器變小，建立新的計(jì)算模型并將模擬與刻度數(shù)據(jù)相結(jié)合是確定儀器最佳源距的有效設(shè)計(jì)手段。

3)通過模擬數(shù)據(jù)和刻度數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬與刻度數(shù)據(jù)基本一致。因此利用模擬方法設(shè)計(jì)儀器可有效降低設(shè)計(jì)成本。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 黃隆基.核測井原理[M].東營:石油大學(xué)出版社,2000:102-119.

[2] 張鋒,袁超,黃隆基.中國同位素中子源測井技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展[J].2011,24(1):12-19.

[3] 國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).SY/T6582.4-2003 石油核測井儀刻度第4部分:補(bǔ)償中子測井儀刻度[R].北京:石油工業(yè)出版社,2003:1-12.

[4] 嚴(yán)巖,李炳營,鄭世平,等. D-D中子源孔隙度測井的蒙特卡洛模擬[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,56(3):123-127.

[5] 夏凌志,張建民,楊志高,等. 蒙特卡羅方法在補(bǔ)償中子測井儀器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].測井技術(shù). 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編輯：姜婷)

中圖法分類號(hào)：P631.8+17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)02-0015-04

第一作者簡介：曾曉豐，男，1976年生，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于西南石油大學(xué)測控技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)在川慶測井公司從事測井儀器的研發(fā)工作。E-mail:clszxf@163.com