脉冲中子源中子伽马密度测井方法研究

论文摘要

地层体积密度被广泛用于储集层评价中,通常被认为是测井解释的关键输入参数之一。在地层中使用放射性Cs-137伽马源的密度测井测量的体积密度是一个比较直观的岩石物理参数,已经被广泛接受。然而,许多研究者开始选择以脉冲中子发生器作为密度测井仪的源,以规避传统同位素源所带来的健康、安全和环境风险（HSE）及测量上的限制等问题。当脉冲中子源取代伽马源进行地层密度测量时,放射源在地层中激发的物理场发生了改变,粒子在地层中的空间分布规律及与地层物质相互作用的方式也随之改变,探测器测量信号的复杂性增加,信号的解析和重组方法需要重构。因此,有必要开展脉冲中子伽马密度测井方法的基础科学问题研究。本文结合蒙特卡洛数值模拟方法,对中子伽马密度测量中影响非弹性伽马射线响应的快中子输运、次生伽马射线的产生和非弹性伽马射线输运三个物理过程分别进行了详细的分析。在无限均匀地层的球形模型中,利用玻尔兹曼方程和分组扩散法推导出与中子输运和次生伽马射线的产生截面无关的体积密度计算方法。根据高能伽马射线输运理论,进一步推导出与高能伽马电子对效应影响无关的体积密度计算方法。根据源距与仪器密度灵敏度的关系,对仪器的源距进行了优化,设计了中子伽马密度测井仪探头模型。在对仪器模拟在常见地层中响应研究的基础上,使用Levenberg-Marquardt迭代拟合的方法,对中子伽马密度测量的新方法进行了分析。通过实际刻度井资料,给出了脉冲中子密度测井方法的测量精度和性能。研究结果表明:中子伽马密度测量的新方法可以补偿非弹性伽马射线的产生截面和中子输运的影响。通过设置非弹性伽马射线能谱的高、低能窗可以补偿电子对效应的影响。最终得到的非弹性伽马计数率比值符合伽马衰减规律,使计算得到的中子伽马密度对地层属性变化不敏感。在纯砂岩、灰岩和白云岩地层中体积密度测量误差在±0.025 g/cm3范围内,在泥质地层,体积密度测量误差在±0.035g/cm3范围之内。同时,该仪器的地层密度测量范围建议在1.95～2.9 g/cm3区间内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 套管井脉冲中子伽马密度测井
•     1.2.2 第一代随钻脉冲中子伽马密度测井
•     1.2.3 第二代随钻脉冲中子伽马密度测井
•   1.3 研究内容及方法
• 第2章 中子伽马密度测量原理
•   2.1 中子伽马密度测量核物理基础
•     2.1.1 脉冲中子源
•     2.1.2 中子输运
•     2.1.3 伽马输运
•   2.2 伽马-伽马密度测井原理
•   2.3 中子伽马密度测井原理
•   2.4 本章小结
• 第3章 中子伽马密度测量中的物理场特征模拟研究
•   3.1 蒙特卡洛模型
•   3.2 快中子的输运
•     3.2.1 快中子的空间分布
•     3.2.2 快中子的能量分布
•   3.3 非弹性散射伽马射线的产生
•     3.3.1 微观非弹性散射截面
•     3.3.2 地层原子核密度
•     3.3.3 脉冲中子源产生的伽马射线
•   3.4 非弹性散射伽马射线输运
•     3.4.1 非弹性散射伽马射线初始能量分布
•     3.4.2 非弹性散射伽马射线能量分布
•     3.4.3 非弹性伽马射线的衰减规律
•   3.5 本章小结
• 第4章 中子伽马密度测量中的中子输运研究
•   4.1 非弹性伽马射线空间分布规律
•     4.1.1 玻尔兹曼方程求解
•     4.1.2 多场耦合理论推导
•   4.2 中子输运对探测器响应的影响
•     4.2.1 中子输运对非弹性伽马射线通量的影响
•     4.2.2 径向微分非弹性伽马通量对探测器伽马响应贡献分析
•   4.3 中子输运的补偿
•     4.3.1 近似拟合法
•     4.3.2 拉格朗日中值定理处理法
•   4.4 本章小结
• 第5章 中子伽马密度测量中的电子对效应研究
•   5.1 电子对效应在散射伽马能谱中的影响
•   5.2 电子对效应在中子伽马密度计算中的影响
•     5.2.1 伽马源的影响
•     5.2.2 电子对效应的影响
•   5.3 电子对效应的补偿
•   5.4 本章小结
• 第6章 中子伽马密度测量中的地层密度计算方法研究
•   6.1 中子伽马密度测井仪的结构设计
•     6.1.1 密度灵敏度
•     6.1.2 探测器的密度灵敏度与源距的关系
•     6.1.3 伽马密度测井仪器模型设计
•   6.2 体积密度计算新方法及精度分析
•     6.2.1 中子伽马密度计算新方法
•     6.2.2 岩性影响
•     6.2.3 孔隙流体类型影响
•   6.3 探测深度与纵向分辨率
•     6.3.1 探测深度
•     6.3.2 纵向分辨率
•   6.4 井眼环境对密度测量的影响
•     6.4.1 井眼尺寸影响
•     6.4.2 间隙影响
•     6.4.3 泥浆密度影响
•   6.5 模型井验证
•     6.5.1 模型井1-中子孔隙度标准刻度灰岩地层井
•     6.5.2 模型井2-补偿密度/岩性密度标准刻度岩性地层井
•     6.5.3 模型井3-不同井径中子孔隙度标准刻度岩性地层井
•     6.5.4 模型井4-孔隙含气灰岩、泥质和石膏地层井
•   6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 地层常见元素的中子微观非弹性、弹性和俘获截面
• 附录 B 地层常见元素的快中子微观非弹性和弹性散射截面
• 附录 C 地层常见矿物核测井参数
• 附录 D 常见地层伽马的质量衰减系数曲线
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王虎

导师: 吴文圣

关键词: 脉冲中子,地层密度,测量机理,数值模拟

来源: 中国石油大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国石油大学(北京)

分类号: P631.81

DOI: 10.27643/d.cnki.gsybu.2019.000100

总页数: 144

文件大小: 38786k