碳／氧比能谱测井系统技术方案

本发明专利技术提供一种高准确度的碳／氧比（Ｃ／Ｏ）能谱测井系统，该系统是将氘氚反应快中子伴随α粒子飞行时间技术用于碳／氧比能谱测井，包括具有伴随α粒子探测系统的中子管，中子屏蔽体，γ射线探测器，快电子学定时部件以及数据获取、处理和控制计算机。利用本发明专利技术测井可以避开探测器周围非矿层物质的影响，压低各类本底，以很高的准确度确定所测地层含油、含水以及其它信息。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳/氧比(C/O)能谱测井领域。碳/氧(C/O)比能谱测井是在低矿化度、高孔隙度(＞20%)地层的套管井中用来探测油层、水层、油水含量及岩性的一种重要方法。它的基本原理之一是用14MeV的快中子轰击矿层，矿层中的C和O分别放出4.43和6.13MeV的非弹特征γ射线;测量γ射线的能谱和强度可以得到矿层中C含量与O含量的比值。油中多C，水中多O，由C/O比值以及其它测量数据可以确定油井周围矿层的含油情况。但是，利用现有测井装置所测得的C/O比值具有很大的不确定性。这是因为(参看附附图说明图1)在测井装置中，紧贴闪烁探头的最灵敏区，有约6cm厚的水、铁、水泥等非矿层物质，其中含有大量C、O、Si、Ca。水泥套管外的矿层实测厚度大约20cm。近似计算表明，在总的特征γ计数中，水泥套管等非矿层物质的贡献占一半左右，它们的作用相当于本底，必将给C/O比值带来很大的不确定性。利用特征非弹γ射线确定C/O比时，俘获γ射线形成本底。利用“双门法”或“三门法”扣除本底也不可避免地引入误差。此外，很强的Compton效应也是产生C/O比值不确定性的重要因素。总之，在现有的测井装置中，上述本底在测量上是不可避免的;虽用多种措施减少这种影响，引入较大的不确定性也是不可避免的，并且带来很大的复杂性。针对上述技术的不足，本专利技术提出一种伴随α粒子快中子飞行时间碳/氧比能谱测井系统，可以大大压低本底，显著提高所测C/O比值的准确性。本专利技术所依据的基本原理是1.在3He(d，n)4He〔或者写为T(d，n)α〕反应中，出射中子和反冲α粒子受反应动力学的制约，它们在出射角度上是一一对应的。2.相关联的中子或者它们感生的直接非弹特征γ射线和α粒子的探测信号，在时间上是相关的，它们之间的时间差随着几何位置不同而变化。具体说明如下，参看图1。1.定域测量有效矿层区域。在图1中，氚靶4的右方是α探测器3。与α相关联的中子束5在射线TA和TB以及射线TA′和TB′之间。适当调节装置的几何位置，可使紧靠闪烁探头(BaF2晶体)9的非矿层物质绝大部分处在关联中子束之外。射到非矿层物质上的非关联中子产生的γ射线虽然也能在闪烁探头中引发信号，但是无相应的α信号产生符合记数。这样就把处在内层的水泥、水等非矿层物质产生的γ信号剔除掉了。这个作用可称之为伴随粒子飞行时间法的“定域功能”。2.去除非矿层区域的影响现在假定一个中子n从氚靶4发出射到矿层物质的中心点P上，从该点产生的直接非弹γ射线射入闪烁探测器9中，并产生信号，这个过程共需时间tn。与n相对应的α被探测器3探测到，并产生信号，需要时间tα。在固定信号传输装置中，两个信号之间的时间差tn-tα将为一个统计确定值tp。可以设想，在关联中子束内，中子产生直接非弹γ的作用点不同，则时间差就不一样。中子的飞行速度要比γ射线慢得多，因此大致说来，作用点愈靠近氚靶4，时间差愈小;作用点离氚靶4越大则时间差愈大。利用飞行时间装置可以测得一个以tp为中心的飞行时间差谱。在P点周围10cm左右的区域内，产生的时间差在tp±4ns范围内。选定这个时间差范围内的信号作为有效信号，则弧线RR′右边的非矿层物质产生的γ射线不产生实际计数。这样就把铜、钨屏蔽体6、7周围的水泥等非矿层物质产生的γ信号“屏蔽”掉了，称之为伴随粒子飞行时间法的“定时功能”。3.去除直穿中子干扰、提高测量效率0度左右的出射中子，虽然经过屏蔽体阻挡，仍有部分中子直接射入闪烁体，但是相应的反冲α在180°左右出射，不被α探测器3接收。经验表明伴随粒子飞行时间法的“定域效应”可降低直穿中子产生的本底一个量级左右。这个作用又使用于屏蔽闪烁探头BaF2晶体9的铜钨屏蔽体7，8有可能被缩短，从而提高射入矿层的中子通量，显著提高探测效率。4.飞行时间法压低俘获γ射线本底在现有的脉冲中子法测量装置中，计数门或本底门的时间宽度在10-20μs的范围内。俘获γ随时间按指数规律衰减，采用相减法不可避免地引入误差。在本专利技术中，计数是在10ns量级的时间门内进行的，慢中子及其俘获γ的产生是μs量级的事件，因此从整体上来看，不能与α信号产生必然符合计数，只能形成偶然符合记数。5.BaF2晶体9的信号有快慢两成分。快成分的存在使利用快中子飞行时间法得以实现。BaF2晶体9的热中子俘获载面比NaI小一个量级左右，有利于压低热中子俘获γ射线本底。专门设计的铜，钨屏蔽体6，7有利于提高矿层区中子通量强度和减少直穿本底。综上所述，采用伴随α粒子快中子飞行时间技术，可以选择有效矿层区域进行测量，大大压低各类本底，加上其它改进措施，从而显著提高所测C/O比值的精确性。本专利技术-碳/氧比能谱测井系统，其特征在于，该系统由带有伴随α粒子信号获取装置的氘氚反应中子管，快电子学定时部件，中子屏蔽体，γ探测器，以及与上述装置相连接的数据获取、处理和控制计算机。上述氘氚反应中子管与伴随α信号获取装置构成一体;上述的α粒子信号获取装置可由多个α粒子探测器环绕氘氚反应中的入射离子束而构成，其中每个α粒子探测器由无机闪烁体，光导和快光电倍增管构成;上述的快电子学定时部件，可由快恒比定时器，时幅变换器，单道分析器组合而成;所说的中子屏蔽体可由铜、钨和铅分层组合而成，前部为园锥体，中间为园柱体，后部为园台形;上述的γ探测器可由测量γ射线能量的无机闪烁体与快光电倍增管构成。利用本专利技术的系统，测量井下直接非弹γ射线能谱时，碳/氧比的信号本底比要比现有的类似装置高出5-10倍，所测饱和油砂和饱和水砂的碳/氧比值略高于0，3，相对变化大于18%，因此在确定矿层含油、含水信息时，具有相当高的准确度。附图及附图的简要说明图1为碳/氧比能谱测井装置示意图1.中子管高压电源2.带伴随α粒子信号获取装置的中子管3.环形伴随α粒子探测装置4.氘氚反应靶头5.关联中子束流6.铜屏蔽体7.钨屏蔽体8.铅屏蔽体9.BaF2晶体10.快光电倍增管11.快电子学定时部件12.线性电子学系统13.电缆14.数据获取、处理和控制计算机15.探测装置钢质密封外壳16.钢质井管17.水泥套管18.水泥套管周围的矿层19.处在关联中子束内的小部分水泥壳20.矿井中的水21.时幅变换器22.单道分析器23.线性门电路下面结合附图1介绍一个实施例中子管高压电源1为带伴随α粒子信号获取装置的中子管2供电，加速电压为120KV，环形伴随α粒子探测装置3由多个α粒子探测器环绕中子管内入射离子束构成，利用ZnS闪烁体探测α粒子，快光电倍增管输出上升时间为ns量级的快信号，送入快电子学定时部件11，氘氚反应靶头4利用3He(d，n)4He反应产生14Mev中子，对于给定的伴随α粒子探测装置产生一定范围的关联中子束流5，该中子束流5射向γ探测器周围的矿层18，与矿层中的多类元素相互作用，产生相关联的直接非弹γ射线。铜屏蔽体6呈园锥形，钨屏蔽体7呈园柱形，铅屏蔽体8呈园台形。三者的组合可以有效地屏蔽入射到γ探测器上的直穿中子和相关的γ射线。γ探测器由BaF2晶体9和快光电倍增管10构成，快光电倍增管输出能量线性信号和快信号，线性信号通过线性电子学系统12和电缆13送入数据获取、处理和控制计算机14，快信号送入快电子学定时部件11。所说的快电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳／氧比能谱测井系统，其特征在于，该系统包括具有伴随α粒子信号获取装置的中子管，测量此中子管产生的中子所诱发的直接非弹γ射线的γ探测器，处在中子管与γ探测器之间的中子屏蔽体，与伴随α粒子信号探测装置和γ探测器相匹配的快电子学定时部件，以及与上述装置相连接的数据获取、处理和控制计算机；。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐四大，陈振鹏，曲贤才，陈泽民，田嘉禾，齐卉荃，陈迎堂，王书贤，张自竖，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]