一种采集双脉冲中子伽马谱的时序设计方法 【技术领域】
本发明涉及油气井测井技术领域， 尤其是一种采集脉冲中子伽马谱的时序设计。背景技术 在油田开发过程中准确掌握油层动用情况以及剩余油的分布规律具有重要意 义。目前国内外的脉冲中子饱和度测井技术包括 C/O 能谱测井技术、 中子寿命测井技 术。其中 C/O 能谱测井的时序设计是在一个工作周期中利用脉冲宽度为 10μs、 20μs 或 者 40μs 的 D-T 中子发生器发射中子， 与地层元素原子核发生非弹性散射、 弹性散射、 俘 获、 活化等核反应， 在脉冲宽度内和后续时间段利用闪烁晶体伽马探测器分别探测非弹性 散射和俘获能谱， 通过能谱分析， 求出地层的 C/O 和 Si/Ca 等参数， 计算出地层含油饱和 度， 测井速度较低 ； 而中子寿命测井利用固定或者可变脉冲的中子发生器产生中子与地层 作用后， 在固定或者可变时间门内记录伽马时间谱， 通过计算地层的宏观俘获截面确定地 层含水饱和度 ； 组合测井技术则是将以上两种脉冲中子饱和度测井技术组合应用。专利 CN200710018164.7， 名称为 “脉冲中子双谱饱和度测井方法” 公开了脉冲中子双谱饱和度测 井方法， 具有一次下井在相同环境下可同时采集热中子时间谱、 俘获伽马时间谱， 使两种中 子寿命测井方法优势互补。 但目前脉冲中子饱和度测井技术在一次下井过程中只能采集伽 马能谱或者伽马时间谱， 不能同时完成两种物理参数的测量， 需借助孔隙度等其它资料才 能确定饱和度， 在孔隙度缺失的情况下， 就不能确定饱和度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中不足之处， 提供在一个工作周期 中既可以记录伽马能谱又可以获取伽马时间谱的时序设计方法。
本发明的技术方案如下 ： 一种采集双脉冲中子伽马谱的时序设计方法， 一个完整 的双脉冲中子伽马谱测量周期包括三个时间段， 共计 40000μs， 其中 ：
a.C/O 测量时间段， 包括 350 个重复工作的短周期 G1， 每个周期工作时间均为 0 ～ 100μs， 共计 35000μs， 在每个短周期的前 40μs 内中子源点火产生中子， 并用三个时间门 采集一个时间谱和两个幅度谱， 第一时间门 G1 置于 0 ～ 100μs， 采集总计数率时间谱， 道宽 0.4μs， 共 250 道 ； 第二个时间门 G2 置于 0 ～ 40μs， 采集 250 道总幅度谱 ； 第三个时间门 G3 置于 50 ～ 100μs， 采集 256 道俘获伽马幅度谱， 包括本底谱的影响 ；
b. 中子寿命测量时间段， 在 C/O 的测量时间段之后， 即 35000 ～ 37000μs， 是一个 间隔为 2000μs 的中长周期 G4， 中子源在前 100μs 的脉冲间隔内发射中子， 并以 20μs 的 时间间隔采集一个 100 道伽马衰减时间谱 ；
c. 本 底 伽 马 能 谱 测 量 时 间 段， 测 量 时 间 间 隔 为 37000 ～ 40000μs， 总间隔为 3000μs， 中子源不发射中子， 是一个静态过程， 在此期间后 2000μs 开一个脉冲高度分析 器门 G5， 测量本底能谱。
本发明的有益效果是 ： 通过设计双脉冲发射和测量时序， 既可以利用窄脉冲的重复发射中子测量非弹性散射和俘获伽马能谱， 又可以利用宽脉冲发射中子测量伽马时间 谱， 且伽马道计数统计性得到保障。同时得到伽马能谱和伽马时间谱后， 利用 C/O 和地层宏 观俘获截面交会技术， 在空隙度缺失的情况下， 就能确定饱和度。 而且由于在同一深度点同 一次测量同时录取两个参数， 减少了不确定因素， 提高了测量准确度。 附图说明
图 1 是本发明所述脉冲与测量时序 ； 图 2 是本发明所述不同脉冲发射中子后的伽马时间谱。具体实施方式
下面结合附图对该发明作进一步的描述。
如图 1 所示， 一个完整的脉冲中子双伽马谱测量周期包括三个时间段， 共计 40ms， 每 40ms 采集一组能谱和时间谱数据， 完成一个深度点的测量。
a、 C/O 测量时间段
第 一 时 间 段 包 括 350 个 重 复 工 作 的 短 周 期 G1， 每个周期工作时间均为 0 ～ 100μs， 共计 35000μs， 即碳氧比测量时间段的总采集时间是 35ms。在每个短周期的前 40μs 内中子源点火产生中子， 并用三个时间门采集一个时间谱和两个幅度谱。第一时间 门 G1 置于 0 ～ 100μs， 采集总计数率时间谱， 道宽 0.4μs， 共 250 道， 用来监测总计数随 时间的变化 ； 第二个时间门 G2 置于 0 ～ 40μs， 采集 250 道总幅度谱， 主要反映非弹性散射 伽马射线的能量分布， 同时有俘获和本底谱的贡献 ； 第三个时间门 G3 置于 50 ～ 100μs， 采 集 256 道俘获伽马幅度谱， 包括本底谱的影响。采集总幅度谱和俘获谱的累积时间分别为 14ms 和 17.5ms。
b、 中子寿命测量时间段
在 C/O 的测量时间段之后， 即 35000 ～ 37000μs， 是一个间隔为 2000μs 的中长 周期 G4， 中子源在前 100μs 的脉冲间隔内发射中子， 并以 20μs 的时间间隔采集一个 100 道伽马衰减时间谱。这个阶段在 C/O 运行的同时采集伽马时间谱， 是获取脉冲中子双伽马 谱地层热中子寿命的主要数据， 其时间间隔占总时间的 5％， 再加上重复脉冲的俘获伽马累 积， 能够反映地层对热中子的俘获能力， 统计精度也可以得到保证。
c、 本底伽马能谱测量时间段
测量时间间隔为 37000 ～ 40000μs， 总间隔为 3000μs， 是一个静态过程， 中子源 不发射中子。在此期间后 2000μs 开一个脉冲高度分析器门 G5 来测量本底能谱。
以下为脉冲中子双伽马谱测量能谱的计数统计性分析 ：
本发明中设计的脉冲中子双伽马谱测量， 非弹伽马能谱仍选 256 能量道， 重复 350 次脉冲测量， 大周期为 40ms ； C/O 能谱测井的测井速度通常为 60m/h， 假定相邻测井深度点 的距离为 0.1m， 则每个深度点采集数据的时间为 6s， 一个深度点进行 150 个大周期重复测 量， 则数据采集时间为 ：
40μs×350×150 ＝ 2100000μs ＝ 2.1s
国外阿特拉斯的 RPM( 储层参数监测 ) 测井仪 C/O 工作模式是利用脉冲宽度为 40μs 的中子源发射中子， 在 0 ～ 40μs 和 50 ～ 100μs 时间间隔内分别测量非弹伽马能谱 ( 包括俘获伽马的影响 ) 和俘获伽马能谱， 短周期频率是 950 次重复测量， 一个大周期为 100ms， 仍采用 256 能量道记录非弹伽马能谱， 一个深度点进行 60 个大周期重复测量， 则数 据采集时间为 ：
40μs×950×60 ＝ 2280000μs ＝ 2.28s
在同种井眼和地层条件下， 采用相同的能量道记录幅度谱， 并假设脉冲中子源、 源 距和探测器的响应特性都相同， 则脉冲中子双谱饱和度测井设计中非弹伽马能谱的道计数 和 RPM 的道计数高低主要取决于数据采集时间， 其计数比值为 ：
F ＝ 2.1s/2.28s ＝ 92.1％
由此说明， 采用本时序设计兼测中子寿命的同时测量非弹伽马能谱， 其道计数是 RPM 测井仪的 92.1 ％， 即利用非弹伽马能谱确定 C/O 时伽马道计数比 RPM 测井仪下降了 7.9％。由于 RPM 测井仪是小直径脉冲中子测井仪器， 伽马探测器选用 NaI 晶体， 计数效率 低， 如果脉冲中子双谱饱和度测井仪设计成大直径且采用 BGO 晶体探测器， 记录非弹伽马 能谱的道计数比 RPM 的道计数高， 统计性好。因此设计的脉冲和测量时序对记录非弹伽马 能谱获取 C/O 值更可靠， 在确定地层含油饱和度时优于国外的脉冲中子饱和度测井仪。
以下为脉冲中子双伽马谱测量时间谱的衰减和计数统计性分析
(1) 周期脉冲下的热中子时间衰减特性
在讨论地层的热中子寿命测井过程中， 热中子在井眼和地层的扩散和俘获过程满 足双指数衰减公式， 即测到的热中子计数是井眼和地层的计数叠加， 有：
显然一次脉冲后探测到的热中子计数取决于井眼和地层的减速长度以及其对热 中子的俘获能力， 井眼和地层的宏观吸收截面差异越大， 热中子的扩散效应效果明显， 会对 确定地层的热中子宏观俘获截面产生影响 ； 通常情况下井眼条件相同， 确定地层的宏观截 面主要是根据热中子在地层中的时间衰减谱， 时间谱道计数的高低决定了宏观吸收截面测 量的精确度。
常规的中子寿命测井或者国外脉冲中子饱和度测井仪的 PNC 模式都是利用一定 宽度的脉冲中子源产生中子， 记录足够长的时间衰减谱， 即使通过一定周期进行重复， 单一 脉冲作用后的热中子对下一次脉冲的热中子衰减谱计数影响很小。 但是脉冲中子双谱饱和 度测井方法的时序设计方法不同， 测量中子寿命的宽脉冲前面有多次测量非弹和俘获伽马 能谱的窄脉冲， 且由于其重复周期短， 前面脉冲的热中子会对下一脉冲的热中子衰减谱计 数有积累作用， 如果随时间衰减的快慢相同， 这种计数的积累对中子寿命测井来说是有利 的。下面讨论重复脉冲对中子寿命模式热中子时间谱的影响规律和计数贡献。
为了方便起见， 假定脉冲中子源每个脉冲产生的快中子经过井眼到达地层时的热 中子数相同， 不考虑井眼的热中子衰减， 则每个脉冲产生的热中子经过地层的俘获作用后 的衰减规律用公式 (2) 来表示。 t / τ
N ( t ) ＝ N e 0 (2)
其中 N(t) 表示脉冲结束后 t 时刻的热中子计数， N0 表示脉冲结束经过一定延迟后 热中子在 t ＝ 0 时刻的计数， τ 为地层的热中子寿命。
根据脉冲中子时序设计特点， 每经过一定时间 T 后下一脉冲开始点火产生快中
子， 通过选择最佳的源距可以消除扩散效应的影响。根据热中子的扩散方程， 第 i 个脉冲发 射中子后热中子计数随时间 t 的衰减仍满足微分方程
dNi(t)/dt+ ∑ vNi(t) ＝ 0 (3)
即有
dNi(t)/dt+Ni(t)/τ ＝ 0 (4)
因此 n 个脉冲产生中子后总热中子计数随时间 t 衰减满足的方程为 ：
dN1(t)/dt+dN2(t)/dt+L+dNn(t)/dt ＝ -[N1*(t)/τ+N2(t)/τ+L Nn(t)/τ] (5)
则热中子的总计数满足方程可以写为
dN(t)/dt+N(t)/τ ＝ 0 (6)
由此可以看出， 相隔一定时间间隔的多脉冲发射中子后总的热中子计数仍然按照 单脉冲满足的指数规律衰减， 见图 2， 对利用伽马时间谱计算地层宏观俘获截面影响很小， 不同重复脉冲时地层宏观吸收截面的计算值结果见下表 ：
脉冲数目 ∑ /c.u.1 15.122 15.295 15.510 15.4950 15.46因此多脉冲重复发射中子对中子寿命模式下热中子的总计数起累积作用， 增加了 伽马时间谱的道计数， 对根据热中子时间谱获取地层宏观吸收截面进而确定地层含水饱和 度是有利的。
(2) 周期脉冲发射中子对伽马时间衰减谱道计数的影响
由前面的脉冲中子时序设计特点， 重复脉冲的周期为 T， 则中子寿命测量时单脉冲 的热中子或伽马时间谱数据要受到前面多脉冲的热中子或伽马计数积累， 且每一个脉冲的 计数贡献分别相距 T 时间。假定中子寿命单脉冲发射后的时刻 t0 作为计数初始时刻， 则在 ti 时刻的热中子或者伽马计数表示为
式中 N0(t0) 为脉冲发射中子延迟一定时间后 t0 时刻的热中子或伽马计数， 并假定 所有脉冲中子发射延迟一定时间后 t0 时刻的计数相同。则前面第一个脉冲发射中子对中子寿命测量模式下 ti 时刻的热中子或伽马时间 谱的计数增加量为 ：
N1(ti) ＝ N0(t0)e-(t+T)/τ (8)
同样前面第二个脉冲发射中子对测量时间谱计数的增加量为 ：
N2(ti) ＝ N0(t0)e-(t+2T)/τ (9)
前面第 n 个脉冲发射中子对测量时间谱计数贡献为 ：
Nn(ti) ＝ N0(t0)e-(t+nT)/τ (10)
则在 ti 时刻热中子或伽马时间谱总计数为 ：
显然经过 n 个脉冲发射中子后对热中子或伽马的计数贡献比为 ：
R ＝ N(ti)/N0(ti) ＝ 1+e-T/τ+e-2T/τ+L+e-nT/τ
＝ 1+e-T/τ[1-(e-T/τ)n]/(1-e-T/τ) (12)
按照上面脉冲中子双谱饱和度的时序设计， 相邻的计数测量间隔 T ＝ 100μs， 假 设地层的热中子寿命分别为 τ1 ＝ 200μs、 τ2 ＝ 300μs 和 τ3 ＝ 400μs， 则得到经过周期 多脉冲发射中子后热中子或者伽马谱的总计数贡献表达式分别为 ：
R1 ＝ N(ti)/N0(ti) ＝ 1+e-1/2[1-(e-1/2)n]/(1-e-1/2)
＝ 1+0.60653×[1-0.60653n]/(1-0.60653) (13) n
R2 ＝ 1+0.71653×[1-0.71653 ]/(1-0.71653) (14)
和 R3 ＝ 1+0.7788×[1-0.7788n]/(1-0.7788) (15)
根据上面的公式可以计算出前面脉冲重复次数对热中子或者伽马的计数累积贡 献， 重复脉冲对热中子或者伽马时间谱计数贡献比结果列于下表 ：
从数据分析可以得到， 对同一地层随着重复脉冲发射中子次数的增加， 中子寿命 测井的热中子或伽马时间谱计数逐渐增加， 当达到十个脉冲之后热中子或者伽马计数积累 贡献比几乎达到恒定值， 即前面十个非弹的脉冲发射中子对中子寿命测量时的热中子或伽 马时间谱道计数积累效果明显 ； 而离中子寿命测量更靠前的脉冲发射中子， 经过十个脉冲 时间间隔 T 后热中子几乎被地层全部俘获， 其计数对后续中子寿命测量影响已经很小 ； 随 着地层热中子寿命的增加， 前面脉冲对后续中子寿命测量的计数积累贡献越大， 对中子寿 命测井越有利。常规地层的热中子寿命一般在 300μs 左右， 因此周期性脉冲发射中子后， 由于计数累积的贡献， 伽马时间谱的道计数可以增加至 3.5 倍左右， 有利于提高中子寿命 测量的伽马射线计数统计性。
(3) 脉冲中子双伽马谱测量时间谱的计数统计性
脉冲中子双伽马谱饱和度测井的中子寿命测量的时间道宽为 20μs， 测量时间为 2000μs， 重复周期为 150， 并且按照 C/O 能谱测井速度， 每个时间道的热中子或伽马射线采 集时间为 ：
20μs×150 ＝ 3000μs
由前面论述可知， 由于在测量非弹伽马能谱过程中重复周期脉冲发射中子会提高 中子寿命测量的热中子或者伽马道计数， 在常规地层条件下道计数可以增加至 3.5 倍左
右， 因此等效的热中子或伽马道计数采集时间为 ：
3000μs×3.5 ＝ 10500μs
国外的 PDK-100 中子寿命测井仪采用脉冲宽度为 10μs， 中子脉冲的重复周期是 1000μs， 时间谱的道宽为 10μs， 共测 100 道， 测井速度为 360m/h， 每个深度点采集数据的 时间为 1s， 每个时间道的伽马计数取决于数据采集时间， 但由于其测井速度比 C/O 能谱测 井速度快得多， 每道的总采集时间为 ：
10μs×1000 ＝ 10000μs
据此可以得到两种中子寿命测量的热中子或伽马道计数比值为 ：
F ＝ 10500μs/10000μs ＝ 105％
显然采用本时序设计进行脉冲中子双伽马谱饱和度测井时伽马时间谱计数还要 高于常规的中子寿命测井。
利用该种脉冲中子时序设计方法进行双伽马谱测井， 若采用大直径仪器和 BGO 探 测器， 测量非弹伽马和俘获伽马能谱时的伽马计数统计性优于国外的小直径脉冲中子饱和 度测井仪。由于测井速度的降低， 再加上前面重复脉冲对后续测量的计数累积， 在进行 C/O 能谱测井时兼测中子寿命的伽马时间谱， 道计数都得到了提高 ； 采集的本底伽马能谱的统 计性也得到了大大改善。因此采用本发明进行脉冲中子双伽马谱饱和度测井同时获取 C/O 和地层热中子寿命来确定饱和度的方法是可行的。