可控中子源补偿中子测井在煤层气测井中的应用

谢小国 罗 兵 叶 恒 陈光胜 杜 蛟 刘 洋 何卫峰

(四川省中成煤田物探工程院有限公司 四川 成都)

0 引 言

补偿中子测井在煤层气测井评价中应用广泛，通过补偿中子曲线可以划分地层、计算地层孔隙度，同时与其它测井曲线结合，可以用于识别分析气层。一般的补偿中子测井仪器使用的Am -Be 源具有非常强的放射性。近年来普遍采用的小型D - T 中子发生器含有几个居里的氚，仍具有放射性危险［1］。与同位素中子源比较，可控中子源具有发射频率可控、能量高、单色性好、无辐射危险等特点［2］。本文通过介绍可控中子源测井仪器的工作原理、仪器结构，并探讨了这种测井仪在煤层气测井中的应用效果。

1 测井仪器简述

1.1 工作原理

可控中子源补偿中子测井仪是通过中子发生器向地层发射能量为2.5 MeV 的快中子，在两个不同源距离的热中子探测器测量经地层慢化并散射回到井眼中的热中子，并以两个探测器计数率的比值确定地层孔隙度。

按照双组扩散理论，均匀无限介质内，热中子距离发射距离r 处的能量分布可表示为:

式(1)中:Dt为热中子扩散系数，r 为热中子发射距离，Lf为快中子减速长度，Lt为快中子扩散长度，(r)为距离r 处的热中子通量。

由式(1)可知，热中子能量分布不仅决定于地层快中子减速长度，而且还与它对热中子的扩散及吸收性质有关。热中子分布范围大，计数率高，采用较大的源距。由于地层的快中子减速长度近似于热中子扩散长度的两倍，在源距r 较大的情况下，式(1)中的第二项可忽略，则相应的热中子通量比为:

式(2)中:R 为长短源距热中子通量比，和分别为两个探测哭的源距，rL＞rS。

计数率和中子通量成正比，在标准刻度井中，通过确定式(2)的未知参数，从而求出岩石的中子孔隙度。

1.2 仪器结构

仪器结构如图1 所示。

图1 某可控中子源补偿中子测井仪的结构示意图

1)发射短节

发射短节由倍加器和中子发生器组成。中子管是电真空器件，其内部的气压决定中子管区的稳定性和安全性。中子发生器利用倍加器提供的直流高压使中子管的离子源电离出足够的氘离子流，经过高压发生器产生的中子管靶压加速，轰击氘靶，发生氘- 氘反应，获得足够能量的单色性很好的快中子源，其核反应方程为:

2)控制短节

控制短节提供阳极高压、靶压供电方波等。中子发射的频率与离子源阳极高压的频率一致，中子管的离子源工作时释放出氘气，在阳极高压场中被电离，阳极高压维持中子管的离子源电离。控制短节通过控制中子管储存器释放的氘气，从而控制中子管内部工作气压。

3)数据采集

通过放大器输出的信号经过鉴别后形成固定的脉冲，在数传板控制信号共同作用下计数，并串型输出至数传板的脉冲通道。

4)控制箱体

控制箱体提供仪器所需要的各种高、低压电源，是可控中子源补偿中子测井仪的操作主体。低压电源为井下仪器电子线路工作用电。高压电源为连续可变电源，根据中子强度的需要和不同仪器所对应的中子管工作电压而定。

1.3 工作方式

通过测井电缆提供井下供电，以连续测量方式获取地层长、短源距中子计数率。

可控中子源补偿中子测井可以获得长、短源距中子计数率。选用一组饱含淡水的孔隙度已知的石灰岩标准井进行标准刻度，通过刻度计算得到地层的补偿中子孔隙度。某可控中子源补偿中子测井仪刻度响应关系函数:

式(4)中:CNL 为中子孔隙度，a、b、c、d 为刻度系数，通过在标准刻度井中确定，NLS 为短源距中子计数率，NLL 为长源距中子计数率。

2 应用实例

煤层气储层测井评价包括煤层的深度、厚度及结构、工业组分、孔隙度、渗透率、含气量等［3］，补偿中子曲线在这些储层参数评价中发挥着重要作用。利用川南某地区煤层气测井资料，通过与同位素补偿中子测井方法获得的补偿中子数据(简称“同位素补偿中子”)与可控中子源补偿中子测井仪获得的补偿中子数据(简称“可控源补偿中子”)进行对比，分析可控源补偿中子测井在煤层气储层测井评价中的应用效果，确定其可行性和实用性。

2.1 岩性识别

由于岩石的物性特征各异，煤层与围岩有明显的测井响应特征区别，综合利用各项测井曲线，可以识别分析岩性。如图2 所示，可控源中子计数率曲线与同位素中子计数率曲线相比较，具有相似的曲线形态特征。不同的岩性具有不同的中子计数率曲线形态，煤层由于其含氢量低，因而中子计数率表现为低值。

图2 X1 井可控源补偿中子与同位素补偿中子在岩性识别中的应用

2.2 煤质分析

煤的煤质包括灰粉、挥发分、固定碳和水分等［4］。本文以体积模型方法为基础，将X2 井孔隙度测井曲线数据建立关于煤质组分的模型关系，结合概率统计方法，配合一定量的煤样实验分析资料，求得煤质组分。体积模型把煤层体积分成纯煤(包括固定炭和挥发分)、灰分和水分三部分，作为对测井响应的贡献之和:

式(5)中:ρ、CNL 分别为煤层对密度和补偿中子测井的响应值;C，A，W 分别为纯煤、灰分和水分对密度的测井响应参数;CNLA，CNLC，CNLW分别为纯煤、灰分和水分对补偿中子测井的响应参数;VC、VA、VW分别为纯煤、灰分和水分的相对体积分数。

通过与煤质实验分析数据相比较见表1，可以看出测井曲线分析原煤的工业组分与实验分析数据误差值小，应用效果明显。

2.3 孔隙度分析

X2 井利用补偿声波、补偿密度、可控源补偿中子和同位素补偿中子的测井曲线分别计算出岩石孔隙度［5］。

表1 测井预测煤工业组分结果检验统计表

2.4 气层识别

孔隙度测井对煤和天然气的响应具有较大的差异，可以利用孔隙度测井信息解释煤和煤层气［6］。本文采用测井孔隙度重叠法解释煤层、煤层气层和围岩气层。

煤层的主要成分是碳含量，水含量极少，因此声波、中子和密度孔隙度响应主要取决于煤层碳含量。在多数情况下，煤层的中子孔隙度与密度和声波孔隙度接近。煤层含气会引起中子孔隙度减少，密度孔隙度和声波孔隙度增大，因此煤层含气时，中子孔隙度小于密度孔隙度和声波孔隙度。类似含气围岩的中子孔隙度小于密度孔隙度和声波孔隙度。

由以上分析，X2 井228.31 m ～228.95 m、231.04 m ～235.80 m 的煤层和242.00 m ～248.60 m 的砂岩的中子孔隙度低于密度孔隙度和声波孔隙度，因而这三层岩层测井解释为含气层，解释结论与录井结果一致。

3 结 论

可控中子源补偿中子测井具有无辐射、工作性能稳定的特点，可用于煤层气测井评价，对岩性识别、孔隙度计算、煤质分析以及气层识别等方面具有非常良好的应用效果。

［1］A X Chen，A J Antolak，K N Leung. Electronic neutron sources for compensated porosity well logging［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment. 2012

［2］秦爱玲，吴军随，秦泓江. DZF -B 便携式宽频带可控中子源［J］. 石油仪器，2002，16(4)

［3］金泽亮，薛海飞，高海滨，等. 煤层气储层测井评价技术及应用［J］. 煤田地质与勘探，2013，41(2)

［4］满建康，杨 广. 基于模糊数学的煤的工业分析［J］. 中国矿业，2008，17(2)

［5］雍世和，张超谟. 测井数据处理与综合解释［M］. 东营:中国石油大学出版社，2007

［6］谭廷栋.测井解释煤层气藏［J］. 测井技术，1999，23(2)