【技术实现步骤摘要】
本专利技术是有关测量地质岩层热中子衰变特性的方法和仪器，着重说明了测量地质岩层热中子衰变时间常数及被钻井切割的有关岩层俘获截面的方法和仪器。迄今，脉冲中子俘获测量仪器已经用来测量地质岩层的热中子俘获特性;例如，测量热中子衰变时间常数(τ)及其相关的宏观俘获截面(∑)。业已证明，脉冲中子俘获测量仪在区分石油(或气层)和含水层岩层方面是颇为实用的。该测量仪在判明下套管的岩层中碳氢化合物的存在以及在钻井开采期限内测量含水饱和度的变化方面，特别有效。热中子特性的测量一般是用脉冲快中子(如14兆电子伏)照射岩层，接着在非连续定时时间间隔或定时门脉冲过程中，靠记录岩层原子核俘获热中子释放出来的r-射线测量岩层内的热中子密度的降低，然后再用每个脉冲中子重复以上过程。为了测量上述热中子衰变特性，已经提出了各种各样的方法。例如，1983年10月11日，美国公布的小哈里D.史密斯等人的第4，409，481号专利中，利用最小二乘方叠代拟合法来获得预想的热中子衰变特性。1983年5月24日美国公布的马克W·黑斯廷斯的第4，385，235号专利中，利用时间平均法(或叫门脉冲比率法)来获得预...
【技术保护点】
测定地质岩层的热中子衰变特性方法包括的步骤：（ａ）用非连续的脉冲快中子辐照地质岩层；（ｂ）通过序列非连续定时门脉冲测量岩层中的热中子密度的读数，在中子脉冲结束之后经过一段非连续时间延迟上述序列定时门脉冲开始；（ｃ）通过序列非连续 定时门脉冲测定第０次矩读数；（ｄ）通过序列非连续定时门脉冲测定第一次矩读数；以及（ｅ）建立（ｄ）步的第一次矩与（ｃ）步的第０次矩的比以获得该地质岩层的热中子衰变时间常数。
【技术特征摘要】
所规定了的发明宗旨及发明范围之内可供采用的各种方案，各种改型之类的工作。在图1中，依据本发明设计制作的测井仪，有一个坚固的既抗压又抗抗温的液密测量仪10，它用装电缆14悬在井筒(或钻孔)12内并可由钻孔内取出。图中井筒12内有井内流体16，还有钢套管18和四周的水泥环形面20。虽然井筒20内未把油管表示出来，如果需要的话，为能通过油管，测量仪10可依一定尺寸制造。井下测量仪10有一个脉冲中子发生器22，两个辐射探测器24和26，这两个探测器固定在距离中子发生器22不同的位置上。另一方面，以下还要详细说明，中子计数器可以代替两个辐射探测器24和26。对本发明来说，中子发生器22是一种更好的产生非连续脉冲快中子(如14Mev)的仪器。例如，在注明日期是1961年7月4日的美国C.古往曼的第2，991，364号专利中，以及注明日期是1970年12月8日的A.H.Frentrop的第3，546，512号专利中，比较详细介绍的就是这种类型的中子发生器。中子发生器22的动作控制一部分由中子发生器控制电路30来完成。控制电路30也是在上述两项专利中所介绍的那种类型的电路。探测器24和26的结构适于测量周围地质岩层中热中子密度或r射线，并且相应于对各个被测的，用幅度来表示r射线能量响应的脉冲信号的产生。所以，探测器24和26是灵敏型热中子探测器，比如，充氦气的正比计数器，或者说是灵敏型r线探测器，如像用铊激活的碘化钠探测器等。在择优选用的具体设备中，探测器24和26及有关的线路是1980年9月16日公布的美国第4，223，218号专利中透露出来的那种电路，一般它们都由该项应用的代理人掌管。显而易见，由于驱动中子发生器22及其他井下电路的需要，需要另外提供井下电源(图中未表示)。测井仪的电源是由地面上的普通电源经由电缆14提供的(图中未表示出来)。近端探测器24和远端探测器26所代表的受辐照岩层中热中子密度的输出脉冲，加到信号门电路32上。信号门电路32由定时门电路控制，定时门电路33也控制中子发生器控制电路30的工作。经由信号门电路32，对探测器信号计数并存储在记忆电路35中，以后，在可控制的遥测电路37控制下，再加到井下遥测电路34中，以便经电缆14传送到地面。为了进行编码、时间分隔，多路调制等，井下遥测电路34可采用大家都熟悉的结构方式，或者为了把该数据传送给电缆14，也可采取用遥测逻辑电路37把准备数据传送的信号加到编码、时间分隔和多路调制电路中的方法。在地面上，从探测器24和26传送来的数据传送信号，进行放大，解码，信号分离等，如果需要的话，用地面上通用的遥测电路36再作另行处理。为了在整个有效的累加时间间隔内获取热中子衰变曲线的数据，电路36进行遥测后，在信号计数电路38中对探测器信号分离计数。根据数据累加的终止时间，信号计数电路38中累加的计数率数据传送到缓冲寄存器40，信号计数电路38并复依到零。存储器40的计数速率数据，在计算机42中进行处理。计算机相应地配备一台微型处理机，或者配备一台通用数字计算机，像由马萨诸塞卅梅纳德数字设备公司制造的牌号为POP-11的通用数字计算机，或者加以特殊改造，例如按照存储的指令来执行本发明，正如下文还要详细介绍的那样，计算机42处理各个探测器的计数速率数据，是为了形形成所要求的各种输出。随仪器深度变化而变化的这些输出，采用普通方式记录在记录器44内。图146所示的普通电缆机械连接，就是为这个目的而设的。为了产生由各个探测器每秒测量到的、表示中子特征的计数速率信号，探测器24和26的脉冲在上述适当的电路中累加。为方便起见，探测器24和26产生的信号以后叫作计数率，但必须明确指出，本发明并不受此制约。根据探测仪和地面上的遥测设备，信号经过各种处理及调制后，用大家都知道的设备和大家都熟悉的方法，把这些信号经由电缆14传送到地面上的测量仪。现在来看图2，衰变曲线48用图解法生动地表示了地质岩层经过辐照后，热中子俘获r射线的对数计数率随时间的变化情况。众所周知，地质岩层热中子衰变曲线48的斜率表示出该岩层热中子衰变时间常数τ，而当中子发生器22发出一个中子脉冲后，中子的衰变使测量仪10内探测器获得计数，其时间变化过程按方程式是指数的。N(t-t0)=Ae·(t-tD)/τ(1)]]>式中N(t-t0)是t0时刻后在t时的瞬时计数率;t0是序列非连续定时间隔G′1-G′122内，中子发生器发出中子脉冲后的起始时间A是t0时刻的瞬时计数率，或称对应于热中子密度(或r射线)的被测读数产生的脉冲信号的幅度;τ是热中子衰变时间常数。τ与岩层宏观俘获截面∑的关系是方程式2τ＝ 4550/(∑) (2)众所周知，矩的时间函数f(t)由数学方程式3确定Mi=∫0∞tif(t)dt---i=0,1,2,3······]]>对(3)对于像衰变曲线48这样的曲线，其特点就在于它是单一指数函数，第零次矩由方程式4确定，曲线的第一次矩由方程式5确定M0=∫0∞Ae-t/τdt=Aτ---(4)]]>M0=∫0∞tAe-t/τdt=Aτ2---(5)]]>根据测井仪10测量的结果，对于特点是单指数函数的衰变曲线48，第零次矩就是to时刻在衰变曲线上记录的总计数并由方程式6确定。N=∫0∞Ae-(t-tD)/τdt=Aτ---(6)]]>第一次矩是衰变曲线上从t0到∞时间内，事件出现的次数之和，所以测量的总计数矩由方程式7确定。M=∫0∞(t-t0Ae·(t-tD)/τdt]]>＝Aτ2(7)岩层内热中子密度的读数是由探测器在序列非连续的时间间隔G′1-G′1测量的计数。把从探测器获取的数据分成这样的非连续的时间间间隔，那么第一次矩就是整个非连续时间间隔序列内各个非连续时间间隔的计数与各相关时间间隔内的平均时间的乘积之和。然而，另一方面，把各个序列内探测器24和26各个读数的出现次数相加，采用合适的通通用电路，可直接把矩确定下来。所以，从方程式4和5，或从方程式6和7可以看出，确立方程式4或6的第一次矩与方程式5或7的第零次矩的比率，那么具有由单指数标征的衰变曲线的岩层热中子衰变时间常数，由方程式8确定τ＝ (M1)/(MO) = (N1)/(N) (8)而且，根据4550对地质岩层热中子时间常数τ确立的比和方式9(由方程式2得到)，即可得到地质岩层的热中子俘获截面∑。∑＝ 4550/(τ) (9)为清晰起见，第零次矩和第一次矩，以下分别称为N和M。关于测量仪10，第零次矩和第一次矩N和M，可由测量仪10提供的间隔计数率，依照方程式10和11，可以简单地进行计算。N＝Σi = i ci b]]>Gi (10)M＝Σi = i ci b]]>Ei Gi (11)方程式10和方程式11中，Gi是在ith(意为第i个间隔-译注)间隔(Gi)内的纯计数率，或总计数减本底计数，ic是起始信道，ib是第一信道，在第一信道内记录本底计数，ti是在Gi间隔内计数的平均时间状态。有若干种不同的方法可能计算ti，ti由方程式12确定，式中ti是相对于to的ith间隔Gi的起始时间，△t是该间隔的持续时间。t‾i=∫ttiti+Δt(t-t0)e·(t·tD)/τdt∫titi+Δte·(t-tD)/τdt]]>= ti+ τ -△ te△ t / τ-1(12)]]>如果τ＞＞t，那么ti≌ti+△t2。只要τ＞△t，在几种近似方法中，任何一种方法都可计算ti，并且精度相当高。例如，当△t＝τ时，方程13的近似值精确到0.238以内。ti≌ti+ (△t)/2 - (△t2)/(12 τ) (13)上述测定第零次矩和第一次矩以及按照方程式10和11计算它们的方法，在整个序列非连续定时门脉冲Gi(图2)一直持续到在至少两个定时门脉冲过程中，测量只有本底读数(或叫计数)时为止进行的。在井筒一个深度上完成以下测量方法后，把测井仪移至另一深度上并再次完成这一测量过程，以便得出需要的随井筒深度变化而变化的中子衰变特性的测井记录。而且，根据图2，用两个指数分量表示衰变曲线48可能更好些。两个指数分量表示的被测量的衰变曲线48，何定是两个指数衰变的和其中一个指数与岩层衰变有关，一个指数与井筒衰变有关。按照方程式14，式中A和B分别是t＝t0时刻的岩层和井筒信号的幅度，τ1和τ2分别是与岩层和井筒相关的热中子衰变时间常数。f(t)=Ae·t/τ1+Be·t/τ]]> 或者(14)由两个指数分量所表述的衰变曲线的第零次矩N如方程式15所述，第一次矩M如方程式16所述。N=∫0∞N(t-t0)dt=Aτ1+Bτ2---(15)]]>M=∫0∞(t-t0)N(t-t0)dt=Aτ21+Bτ23---(16)]]>为了获得井筒及其周围地质岩层的热中子衰变特性，A和B，τ1和τ2，最好是在至少第一和第二序列的非连续定时门脉冲G′的各个辐照间隔(或深度范围)内确定，在上述辐照间隔内，t＝0时中子脉冲结束后，经过一段非连续时间的延迟后，第一序列的定时门脉冲在t0时刻开起;第二序列的定时门脉冲，在第一序列定时门脉冲开始后，经过一段非连续时间TD(＞＞t0)延迟后再开始。以下第一序列的定时门脉冲将用下脚标L来表示，而时间较晚的第二序列的定时门脉冲将用下脚标L来表示。方程式17表述了第一序列定时门脉冲的第零次矩，而方程式18则表述了第二序列定时门脉冲的第零次矩。NE=∫0∞Aet/τ1dt+∞0Be·t/τ1dt=Aτ1+Bτ2---(17)]]>NL=∫0∞A′e·t′/τ1dt′+∞0B′e·t′/τ1dt′=A′τ1+B′τ2---(18)]]>方程式19和方程式20分别表述第一和第二序列的非连续定时门脉冲的第一次矩。NL=∫0∞A′e·t′/τ1dt′+∞0B′e·t′/τ1dt′=A′τ1+B′τ2---(18)]]>ML=∫0∞t′A′e·t′/τ1dt′+∞0t′B′e·t′/τ1dt′=A′τ21+B′τ22]]>(20)在上述方程式17-20中，变量t在中子脉冲结束后的起始时间是50μsec(50微秒)，t′在中子脉冲结束后的起始时间是TD。而且，出现在方程式18和方程式20中当中的第二序列非连续定时门脉冲的幅度分量A′和B′，分别由方程式21和方程式22确定。A′=Ae·(TD·50)/τ1(21)]]>B′=Be·(TD·50)/τ1(22)]]>方程式21和方程式22建立了第二序列定时门脉冲起始时刻的幅度分量同第一序列定时门脉冲起始时刻幅度分量的关系式。把A′和B′的值代入方程式18和方程式20之后，四个超越方程式17-20有四个未知数A，B，τ1和τ2。通过以上所说的测井深度间隔(或深度格)格)来适当估算τ1和τ2的数值这一事实来看，第二序列定时门脉冲的第零次矩和第一次矩N2和ML，根据方程式23和方程式24，用修正系数K1和K2可以对NL和ML加以修正，方程式23和24中的τ1和τ2的结果，是在刚刚所说的上述深度间隔计算中获得的。K1=e·(τD·50)/τ1(23)]]>K2=e·(τD·50)/τ1(24)]]>这样以来，把第一序列定时门脉冲的第零次矩和第一次矩的读数(或计数)，同第二序列定时门脉冲的第零次矩和第一矩的读数结合起来，就得到四个方程式，即方程式17、19和方程式25和26。NL＝K1Aτ1+K2Bτ2(25)ML＝K1Aτ21+K2Bτ22(26)为求τ1、τ2、A和B，分别根据方程式27-30，可求解方程式17、19、25和26。τ1＝(ML-K2MZ)/(NL-K2NZ) (27)τ2＝(ML-K1MZ)/(NL-K1NZ) (28)A＝｛(NL-K2NZ)/(K1-K2)｝/τ1(29)B＝｛(K1NZ-NL)/(K1-K2)｝/τ2(30)关于测井仪10，根据方程式31和方程式32在多序列衰变曲线48的记录中，可由本底门脉冲计数、扣除的门脉冲计数以及经过校正的门脉冲计数，把第零次矩和第一次矩NE、NL，NM和ML计算出来。在方程式31和方程式32中，ib是只含本底的第一序列的定时门脉冲，io是包含有t0的信道，E0由方程式35确定，用toi代替tir时，toi由方程式36近似求出。NE=Σi=icibGi---(31)]]>ME=Σi=icibt‾oiGi---(32)]]>第二序列定时门脉冲的第零次矩和第一次矩，可由方程式33和34进行计算求出。在方程式33和34中，t1i由方程式35确定、也可由方程式36近似求解 在方程式35和方程式36中，t1是从方程式12求出的。在方程式12中，用τ求τ1，同样通过τ＝τ2来求得t2。序列可能包含非整数门脉冲数。每当序列边界在定时门脉冲内下降时，门脉冲计数率可能被分割。在分割的门脉冲计数率的情况下，第0次和第一次矩N和M可按方程式37和38求出。 方程式37和38的J和M是说明造成该序列边界与该门脉冲边界不一致原因的分割分数。当假定计数率下降超过门脉冲和序列边界是门脉冲宽度的几分之几时，估算它们的值。下标a和b在序列中分别指开始的和结束的定时门脉冲。方程式37和38对初始序列和后期序列两者都适用。方程式37和38对由单指数或双指数/表征的衰变曲线48也是适用的。上述测定由2个指数分量标明的热中子衰变特性的方法，只有在钻孔或岩层中不带中子、探测器不存在r-射线计数，和数据时间间隔，或定时门脉冲数大到无穷的情况下才是所用的。因此，如果在测井仪10中使用中子计数器且在钻孔和周围地质层中的热中子密度读数是由该中子计数器记录到的中子数，那么可以运用...
【专利技术属性】
技术研发人员：DK斯坦曼，雅各布森，
申请(专利权)人：施卢默格海外有限公司，
类型：发明
国别省市：PA[巴拿马]
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