基于“次生源”校正的脉冲中子-伽马密度测井方法研究

The replacement of radioactive chemical logging sources is the development inevitable trend of oil exploration. In this project, the density measurement method using the gamma rays that are produced via inelastic interactions of pulsed fast neutrons will be theoretically investigated. From the stabilization of induced gamma ray source standpoint, the change regulation on spatial distribution, energy, and intensity of induced gamma source are analysed with formation properties. And the effects on desnity measurement are studied. The correction methods of spatial distribution are optimized, and the influences of energy and intensity on density measurement are investigated for the firt time. Futhermore, the correction method of induced source can be proposed based on the relative contents resolution of formation elements. Thereby, the pulsed neutron gamma density logging method can be established without the effect of source non-stabilization. In addition, the main structure and laboratory devices of logging tool are designed. And the theoretical and simulation results are benchmarked by experimental data. Moreover, the effects of formation and borehole on measrement method are studied to meet the precision requiement of oil and gas exploration and development. This study has the important significance for the replacement of radioactive chemical source in oil logging tool, reduction of environmental pollution, and protection of health and safety of workers.

使用可控源替代密度测井中的化学伽马放射源是石油勘探技术发展的趋势，本课题研究使用可控中子非弹性散射的次生伽马射线测量地层密度的方法。从快中子"次生伽马源"稳定性的角度出发，分析次生源空间分布、能量及强度随地层性质变化的规律，以及对密度测量的影响。在前人研究基础上优化次生源空间分布的校正方法，并首次详细研究次生源能量和强度变化对密度测量的影响，在解析出对非弹性散射起贡献的几种主要元素的基础上对其进行校正，从而有效地消除源的不稳定性对密度测量精度的影响，在理论上建立脉冲中子-伽马密度测井方法。另外为中子-伽马密度测井方法设计主要仪器结构和实验装置，利用实验数据验证本课题的理论和模拟结果，并进一步分析各种地层及井眼因素对测量结果的影响，从而使脉冲中子-伽马密度测井能够满足油气勘探开发精度需要。本课题的研究对替代测井仪器中的化学放射源、消除地面工作人员及环境受到的放射性危害具有重要意义。

传统密度测井中的化学放射源容易对周围环境和工作人员的身体健康造成一定的危害。为了避免这些危害的发生，本论文研究了一种利用可控脉冲中子源替代传统的铯-137化学放射源，来测量地层密度的方法。. 本研究首先从理论上推导利用脉冲中子源测量地层密度的方法及受到的影响，然后针对目前用来解决核测井问题的蒙卡程序（MCNP-5）的各种精度和功能不足，在一系列实验的基础上进行改进。通过精确的蒙卡模拟为脉冲中子-伽马密度测井方法设计基本的仪器结构及非弹伽马能谱或计数率的精确测量方法。研究结果表明，D-T脉冲中子源可以用来测量地层的密度，但受到“次生伽马源”分布、能量和伽马射线强度的影响，这些影响分别对应于地层中氢含量和岩性的变化。“次生伽马源”分布的影响可使用超热中子探测器的计数来进行校正，岩性校正可以消除“次生源”能量和强度的影响，通过一系列校正形成了脉冲中子-伽马密度测井方法。另外，还与中海油服合作研制了配套的原理样机，通过实验验证了方法的有效性和测量精度，证明该方法可以在今后应用于油气勘探的现场。本研究为实现可控中子源密度测井的仪器研制及数据处理和解释方法奠定了坚实的理论基础。本研究对于石油勘探过程中减少放射源的环境污染和保护工作人员的身体健康、降低仪器使用时间和费用等都具有重要意义。