阅读说明：本技术 一种基于脉冲中子测井的快中子散射截面表征方法 (Fast neutron scattering cross section characterization method based on pulse neutron logging ) 是由 张锋 范继林 田立立 陈前 张笑瑒 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于脉冲中子测井的快中子散射截面表征方法,涉及石油天然气开发领域。包括以下步骤：通过对非弹伽马场分布的公式变形,获得快中子散射截面的表征形式,得出影响快中子散射截面表征的影响因素包括地层密度和探测器源距；根据选定的脉冲中子测井仪器参数,通过建立地层密度的表征方法,得到利用非弹伽马通量以及非弹、俘获伽马通量比信息表征快中子散射截面的数学表达式；建立三维MCNP数值计算模型,模拟得到多探测器伽马通量信息数据库；利用最小二乘方法对不同地层条件的快中子散射截面与伽马通量和通量比信息做三元线性回归分析,得到快中子散射截面的刻度公式的数学形式,最终形成快中子散射截面的表征方法。(The invention discloses a fast neutron scattering cross section characterization method based on pulse neutron logging, and relates to the field of petroleum and natural gas development. The method comprises the following steps: obtaining a representation form of a fast neutron scattering cross section through formula deformation of non-elastic gamma field distribution, and obtaining influence factors influencing fast neutron scattering cross section representation, wherein the influence factors comprise stratum density and detector source distance; according to the selected parameters of the pulse neutron logging instrument, a mathematical expression for representing the fast neutron scattering cross section by using the non-bullet gamma flux and the non-bullet and capture gamma flux ratio information is obtained by establishing a formation density representation method; establishing a three-dimensional MCNP numerical calculation model, and simulating to obtain a multi-detector gamma flux information database; and (3) performing ternary linear regression analysis on the fast neutron scattering cross section and the gamma flux and flux ratio information under different formation conditions by using a least square method to obtain a mathematical form of a scale formula of the fast neutron scattering cross section, and finally forming a characterization method of the fast neutron scattering cross section.)

一种基于脉冲中子测井的快中子散射截面表征方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发领域，具体涉及一种基于脉冲中子测井的快中子散射截面表征方法。

背景技术

快中子散射截面为一种地层核特性，是衡量地层与快中子相互作用能力的物理参数，主要用于地层含油气饱和度评价。中子测井中，常规饱和度评价方法易受到中子与某些元素的相互作用影响，例如B、Cl和Gd用于Sigma测量，而H用于孔隙率测量。而快中子散射截面仅对气液两相流体变化敏感，对饱和度评价的适用范围更广。同时，当无法进行伽马-伽马密度测量时(例如禁止使用放射性同位素源的情况)，快中子散射截面还可用于裸眼井密度测量。

目前，测量快中子散射截面的计数主要是通过中子测井仪器长源距探测器的非弹伽马通量来进行测量。但是由于测井仪器自身的限制以及伽马射线的计数统计性，对快中子散射截面的测量存在一定的误差，难以满足现场油气评价的需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种利用脉冲中子测井技术中多探测器的伽马信息组合的表征快中子散射截面的方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于脉冲中子测井的快中子散射截面表征方法，适用于D-T源脉冲中子测井仪器，包括以下步骤：

步骤1：通过对非弹伽马场分布的公式变形，获得快中子散射截面的表征形式，得出影响快中子散射截面表征的影响因素包括地层密度和探测器源距；

步骤2：根据选定的脉冲中子测井仪器参数，通过建立地层密度的表征方法，代入快中子散射截面的表征公式，得到利用非弹伽马通量以及非弹、俘获伽马通量比信息表征快中子散射截面的数学表达式；

步骤3：建立三维MCNP数值计算模型，模拟得到多探测器伽马通量信息数据库；

步骤4：利用最小二乘方法对不同地层条件的快中子散射截面与伽马通量和通量比信息做三元线性回归分析，得到快中子散射截面的刻度公式的数学形式，最终形成快中子散射截面的表征方法。

优选地，步骤1中对非弹伽马场分布的公式变形得到的快中子散射截面表达式如式(1)所示：

FNXS为快中子散射截面；R为源距；φ_in(R)为非弹伽马射线通量；ρ为地层密度值；α在给定的脉冲中子仪器参数下为常数；μ_m为地层衰减系数，φ₀为D-T源强度，i为一个中子与地层一个原子核碰撞产生的平均光子数，∑_in为快中子的非弹性散射截面，且远小于快中子散射截面，四者均视为常数。

优选地，步骤2中选取脉冲中子仪器包含一个D-T中子源，两个伽马探测器脉冲中子仪器。

优选地，步骤2中对密度的表征表达式如下：

ρ为地层密度值；φ_in1、φ_in2为近、远源距的非弹伽马通量；φ_cap1、φ_cap2为近、远源距的俘获伽马通量，A、B和C为常数系数。

优选地，步骤3中利用MCNP模拟得到的是不同岩性、孔隙度、含油气饱和度条件下的多探测器非弹、俘获伽马计数通量数据库。

优选地，步骤4中求取快中子散射截面表征公式中的系数采用线性多元回归。

本发明具有如下有益效果：

该方法从中子伽马耦合理论入手，通过对快中子散射截面的数学表征，利用双探测器伽马信息组合，消除地层密度对的快中子散射截面的影响，得到了快中子散射截面的数学表达形式。结合MCNP计算多种岩性、含油含气性的多探测器伽马通量，通过数据分析拟合得到快中子散射截面与伽马信息的刻度公式的常数系数，最终形成快中子散射截面的表征方法。该方法计算精度高、普适性广，受地层岩性、含油气性影响小，弥补了利用单探测器进行快中子散射截面表征的不足。

附图说明

图1为仪器地层模型结构示意图；

图2为砂岩地层快中子散射截面计算值与真实值对比；

图3为灰岩地层快中子散射截面计算值与真实值对比；

图4为白云岩地层快中子散射截面计算值与真实值对比；

图5为快中子散射截面井中测量效果图，各个井段快中子散射截面的真实值与计算值的对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

基于脉冲中子测井的快中子散射截面表征方法，适用于D-T源脉冲中子测井仪器，采用一个D-T中子源和至少两个伽马探测器(轴向阵列探测器同样适用)，包括以下步骤：

步骤1：通过对非弹伽马场分布的公式变形，获得快中子散射截面的表征形式，得出影响快中子散射截面表征的影响因素包括地层密度和探测器源距。

非弹伽马场分布公式可以表示为：

FNXS为快中子散射截面；R为源距；φ_in(R)为非弹伽马射线通量；ρ为地层密度值；α在给定的脉冲中子仪器参数下为常数；μ_m为地层衰减系数，φ₀为D-T源强度，i为一个中子与地层一个原子核碰撞产生的平均光子数，∑_in为快中子的非弹性散射截面，且远小于快中子散射截面，四者均视为常数。

对非弹伽马场分布的公式(3)变形得到的快中子散射截面表达式如式(1)所示：

FNXS为快中子散射截面；R为源距；φ_in(R)为非弹伽马射线通量；ρ为地层密度值；α在给定的脉冲中子仪器参数下为常数；μ_m为地层衰减系数，φ₀为D-T源强度，i为一个中子与地层一个原子核碰撞产生的平均光子数，∑_in为快中子的非弹性散射截面，且远小于快中子散射截面，四者均视为常数。

步骤2：根据选定的脉冲中子测井仪器参数，通过建立地层密度的表征方法，代入快中子散射截面的表征公式，得到利用非弹伽马通量以及非弹、俘获伽马通量比信息表征快中子散射截面的数学表达式。

步骤2中选取脉冲中子仪器包含一个D-T中子源，两个伽马探测器脉冲中子仪器，但该方法适用于所有的电缆、随钻及多探测器的脉冲中子仪器。

对密度的表征表达式如下：

ρ为地层密度值；φ_in1、φ_in2为近、远源距的非弹伽马通量；φ_cap1、φ_cap2为近、远源距的俘获伽马通量，A、B和C为常数系数。

结合式(1)和(2)，快中子散射截面可以表征为：

K、L、M和N均为常数系数，且

步骤3：建立三维MCNP数值计算模型，模拟得到多探测器伽马通量信息数据库，利用MCNP模拟得到的是不同岩性、孔隙度、含油气饱和度条件下的多探测器非弹、俘获伽马计数通量数据库。以双源距脉冲中子测井仪器为例，建立MCNP数值计算模型，设置地层为不同岩性、孔隙度和含油气饱和度，将地层划分为径向1.0cm×轴向1.0cm的环形栅元，模拟得到近、远探测器的非弹、俘获伽马通量以及其通量比。

如图1所示，双源距脉冲中子测井仪器的地层模型包含D-T中子源1，钨镍铁屏蔽体2，近探测器3，钨镍铁屏蔽体4，远探测器5，地层6，井眼7及仪器外壳8。模拟过程中，地层划分为径向1.0cm×轴向1.0cm的环形栅元以保证模拟的统计准确性，设置地层为0％-30％间隔5％孔隙度的砂岩、灰岩和白云岩地层，并设置地层饱含油和饱含气的条件，模拟得到近、远探测器的非弹、俘获伽马通量以及其通量比。

步骤4：利用最小二乘方法对不同地层条件的快中子散射截面与伽马通量和通量比信息做三元线性回归分析，得到快中子散射截面的刻度公式的数学形式，最终形成快中子散射截面的表征方法。求取快中子散射截面表征公式中的系数采用线性多元回归，求取公式(4)中的系数K、L、M和N，最终得到利用脉冲中子测井技术多探测器伽马信息表征快中子散射截面的计算式。并对比三种岩性条件下利用探测器公式计算的快中子散射截面值和地层实际的快中子散射截面值，两者的绝对误差在0.2m^-1以内，如图2、图3和图4所示。

如图5所示，为本发明的快中子散射截面井中测量效果图，第一道为深度；第二道为地层岩性剖面，第三道为地层孔隙度，第四道为地层含气饱和度，第五道为计算得到的快中子散射截面(虚线)和理论的快中子散射截面(灰度充填)。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。