一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法技术

本发明专利技术公开了一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法，主要实现了根据采集的活化时间谱计算井下水流速度。本发明专利技术采用蒙特卡洛数值模拟技术证明了可以采用洛伦兹分布来表征脉冲中子氧活化测井的氧活化反应率分布函数和探测器响应函数。据此获得了活化时间谱中各时刻计数率的理论值。结合实测活化时间谱各时刻计数率，建立求解水流速度的最优化模型。通过寻优获得使各时刻理论计数率与实测计数率间误差最小的水流速度，该水流速度与实际水流速度最为接近。本发明专利技术从原理上描述了水流速度与活化时间谱计数率之间的关系，可以直接从活化时间谱中提取水流速度，避免了估计活化水流到达探测器时间，且能够计算复杂管柱下的多水流速度。多水流速度。多水流速度。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法


[0001]本专利技术涉及一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法，主要用于根据脉冲中子氧活化测井采集的活化时间谱计算井下水流速度。同时也解决了复杂管柱结构下存在多水流时的速度计算问题。

技术介绍

[0002]注水开发是实现油田中后期稳产、增产的关键措施之一，准确的监测注水剖面对评价注水效果具有重要意义。在注入剖面监测中最常用的方法是采用涡轮流量计，但涡轮流量计在较长的油管中测量有遇阻遇卡的风险，且涡轮流量计对启动排量有一定要求，不适用于对低流量的测量。井温测井，放射性示踪测井以及频谱噪声测井也是近年来用于评价注入剖面的生产测井方法。然而，井温测井难以获得高质量的定量结果；当注水井管柱较为粗糙或注入水质欠佳时，放射性示踪测井必须进行沾污校正；频谱噪声测井虽然可以直接监测近井区的水流流动，但却很难区分油管和环空中的水流。除此之外，像分布式温度传感器(DTS)和分布式声波传感器(DAS)这类分布式光纤传感器技术目前也已用于注入剖面的监测中。但DTS需要在理想的测量环境下才能进行较好的定量分析，而DAS的定量解释方法目前仍在研究。相比而言，现阶段脉冲中子氧活化测井技术在油田注入剖面的监测中具有明显的优势。脉冲中子氧活化测井仪器在井中进行定点测量，仪器D
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T中子源发射的14MeV的快中子能够穿透套管和油管与井内水流中的氧原子核发生活化核反应，因此脉冲中子氧活化测井不会受管柱结构的影响。此外，脉冲中子氧活化测井还能够同时监测油管和油套环空中的水流。在复杂管柱结构下，它还能区分不同测量井段的水流方向。
[0003]当D
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T中子源发射的快中子与井内水流中的氧原子核发生活化核反应时，被活化的氧原子核会释放出活化伽马射线，当活化水流靠近并通过仪器伽马探测器时，其释放出的活化伽马射线会被伽马探测器采集，并在记录的活化时间谱上形成一个明显的信号峰。现有方法根据计时原理，通过估算活化水流到达伽马探测器的时间，结合已知源距即可计算水流速度。
[0004]为了准确估算活化水流到达伽马探测器的时间，一些研究人员提出活化时间谱中信号峰的峰位所对应的时间即为活化水流到达伽马探测器的时间，在解释时采用加权平均法对峰位进行近似计算。一些学者也提出了采用函数拟合法求取峰位时间，比如采用高斯函数加线性函数残式最小二乘法拟合确定峰值对应时间；或利用高斯函数拟合信号峰，同时采用双高斯函数来对多水流下重叠的信号峰进行分离；以及将活化时间谱的形态分为对称型和非对称型两种，分别采用高斯函数与泊松函数来进行拟合计算等方法。然而由于活化水流在流动时水中的活化氧原子核会发生衰变，因此活化时间谱中的信号峰并非是严格对称的。这使得采用加权平均法或高斯函数拟合法的结果存在一定的误差。此外，通过固定的拟合函数来求解活化水流到达探测器的时间只能得到一个估计解，并无法从原理上来解释活化时间谱中信号峰与水流速度之间的关系。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要克服现有技术中的不足之处，目的在于提供一种基于脉冲中子氧活化测井采集的活化时间谱来准确计算水流速度的方法，同时也适用于复杂管柱结构下井中存在多水流时的速度计算。为了达到以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]脉冲中子氧活化测井仪器采用D
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T中子源向井中发射能量为14MeV的快中子，快中子与井眼以及地层中的氧原子核发生活化核反应产生放射性同位素
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N，
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N以7.13s的半衰期发生β衰变产生处于激发态的
16
O原子核，当处于激发态的氧原子发生退激回到基态时会释放出能量为6.13MeV和7.12MeV的活化伽马射线。仪器伽马探测器会记录不同时刻的活化伽马射线计数率，即活化时间谱。因此可以将
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N看作一种短时效的示踪剂。脉冲中子氧活化测井采集的活化时间谱伽马计数率随时间的变化关系可表示为：
[0007][0008]式中λ为
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N的衰减系数；C(t)为活化时间谱t时刻计数率；S(t)为t时刻中子源强度；t0为中子脉冲起始时间；t
a
为中子脉冲持续时间；A为流动空间横截面积；z为到探测器的距离；函数D(z)为t时刻的氧活化反应率分布；R(z)为伽马探测器响应函数；L为伽马探测器到源的距离；v为水流速度。该模型描述了由活化水流引起的活化时间谱中不同时刻的计数率。然而，在实际测量中R(z)和D(z)难以确定，且当井内存在多个水流时，活化时间谱会更为复杂，因此直接利用此模型来通过活化时间谱的计数率计算水流速度是不可行的。
[0009]为了获得脉冲中子氧活化测井中氧活化反应率分布函数D(z)与仪器响应函数R(z)的表征形式，采用蒙特卡洛数值模拟技术建立两个计算模型对其进行模拟研究。第一个模型如图1所示，用来确定D(z)的分布规律。地层为直径90cm，高120cm的纯砂岩圆柱体，钢制套管直径13.97cm(5.5in)，水泥环厚度为3cm，氧活化测井仪器直径38mm包含一个D
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T中子源和两个不同源距的闪烁体伽马探测器，其中长源距80cm，短源距30cm，仪器在井内居中测量。为了更有效的进行模拟，该计算模型移除了油管，而且井眼内充满了清水。为了获得氧活化反应率随与中子源距离的变化关系，井内流体在模型中为静止状态。
[0010]采用上述计算模型模拟得到的氧活化反应率分布如图2所示。可以看出井中的流体距离中子源越近则越易被活化并产生更多的活化氧原子核。氧活化反应率分布可以近似采用洛伦兹分布来表示，如式(2)所示，两者的相关系数(R2)可达到0.9962。
[0011][0012]式中，h为洛伦兹峰高，p为洛伦兹峰位，w为洛伦兹峰宽。图2所展示的是井内流体静止条件下的氧活化反应率分布。但在实际井中，井内流体是以特定的速度流动的，并且脉冲中子源发射中子也会持续一定的时间，一般为1
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15sec。因此在中子脉冲停止后的氧活化反应率分布会和图2所展示的有所不同。实际上根据脉冲中子氧活化测井原理，氧活化反应率分布可以看作是水流速度与脉冲时间的函数，如式(3)所示。因此不同脉冲时间与水流速度下的氧活化反应率分布可以根据该式计算出来。
[0013][0014]式中，D
′
(z)为中子脉冲结束后的氧活化反应率分布函数，z为到中子源的距离。
[0015]第二个计算模型用来确定仪器探测器的响应函数，如图3所示。该计算模型的模拟地层和井筒参数与第一个模型一致。为了确定探测器的响应函数，沿着井筒设置多个探测器，并且把活化水流看作是井筒内的一个放射性点源。该计算模型可以等效模拟活化水流沿井筒流动时的探测器响应。通过统计各探测器的计数率以及放射源到各探测器的距离可以得到仪器探测器响应函数，如图4所示。为了方便分析，源强随着时间的衰减暂时先不考虑。显然放射源(活化水)距离探测器越近，则探测器响应强度越大而且探测器的响应函数同样可以采用洛伦兹分布来近本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法其特征在于所述方法包括以下步骤：S1：对活化时间谱进行质量控制，质量控制包括异常点修正以及降噪处理两部分，用于降低仪器噪声以及放射性统计涨落对活化时间谱的影响，提高活化时间谱的信噪比，使活化时间谱中的水流特征更为明显，便于后续的处理；S2：对活化时间谱进行静态氧校正，静态活化氧原子核主要来自地层和井下水泥环中的氧元素，这部分静态的活化氧原子核释放的活化伽马射线会影响距离中子源最近的探测器，静态活化氧计数可视为一个指数衰减函数，可以通过函数拟合的方式来估算静态氧计数并对其进行校正；S3：构造目标函数，根据井内流体静止时的氧活化反应率分布函数D(z)以及仪器探测器响应函数R(z)，建立计算活化时间谱各时刻理论计数率的模型，结合实测活化时间谱的各时刻计数率，根据活化时间谱理论计数率与实测计数率之间的累计误差构造目标函数；S4：水流速度优化计算，采用群体智能最优化计算方法来对目标函数进行求解，通过寻优处理来最小化目标函数，求解目标函数解向量，从而获得使各时刻理论计数率与实测计数率间误差最小的水流速度，该水流速度为与实际水流速度最接近的最优化计算结果。2.如权利要求1中所述的一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法其特征在于所述步骤3中的井内流体静止时的氧活化反应率分布函数D(z)与探测器响应函数R(z)通过蒙特卡洛数值模拟技术获得，均可采用洛伦兹分布来表征：式中，h为洛伦兹峰高，p为洛伦兹峰位，w为洛伦兹峰宽。3.如权利要求1中所述的一种脉冲中子氧活化测井水流速度最优化计算方法其特征在于所述步骤3中计算活化时间谱各时刻理论计数率的模型为：式中，n为井中的水流数，λ为
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N的衰减系数，D
′
(z)为中子脉冲结束后的氧活化反应率分布函数，R(z)为伽马探测器响应函数，其中自变量z为到探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国锋，陈猛，刘向君，董国敏，刘东明，陈强，吴晓龙，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：