专利名称：短源距连续碳氧比能谱测井仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测井仪器，尤其是涉及一种通过测量地层碳氧两种元素之比确定油层含油饱和度的连续碳氧比能谱测井仪。
背景技术：
在油田测井领域中，伴随α碳氧比能谱测井仪是一种刚刚开始推广应用的测井仪器。该仪器已经在1998年申报了国家发明专利，于1998年获得授权。这种仪器的主要结构为具有α探头的氘氚反应中子管、γ探头、γ光电倍增管以及位于中子管氚靶端与γ探头的顶端之间有一个13厘米长的快中子屏蔽体，使得其源距为22厘米。这种结构下的仪器存在的问题是源距过长，不能满足仪器在连续中子发射情况下工程测量的对有效γ计数率的最低要求，而α计数率、γ背景值大大高于了工程测量上期望的理想值，导致这种测井仪器的测量精度低差、测量效率低。
实用新型内容为了克服现有的伴随α碳氧比能谱测井仪其α计数率、γ背景值均过高的不足，本实用新型提供一种短源距连续碳氧比能谱测井仪，该种短源距连续碳氧比能谱测井仪具有可大大缩短源距从而使得α计数率、γ背景值尽可能的接近工程测量上期望的理想值，提高了这种连续中子测井仪器的测量精度、保证了测量效率。
本实用新型的技术方案是该种短源距连续碳氧比能谱测井仪，包括固定在仪器壳体内的中子发生器电源、带有α探头的氘氚反应中子管、γ探头、γ光电倍增管以及测井仪器的电子学系统，以上为此类测井仪器的常规结构。本技术方案作出修改的独特之处在于γ光电倍增管上的γ探头置于中子管的氚靶端上方，中子管的氚靶端与γ光电倍增管上的γ探头端之间为一个空气腔。
此外，其源距范围在6.5厘米～17厘米之间。
本实用新型具有如下有益效果由于采取上述方案的短源距连续碳氧比能谱测井仪克服了长期以来的技术偏见，去除了存在于γ探测器和氚靶之间的快中子屏蔽体，缩短了源距，使得α计数率、γ背景值均得到很大程度的降低，满足了工程上的需要。
附图1是本实用新型的工作原理示意图。
附图2是本实用新型的组成示意图。
图中1-中子管电源，2-中子管，2a-α探头，2b-氚靶，3-γ探头，4-γ光电倍增管，5-电子电路总成。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明如图2所示，该种短源距连续碳氧比能谱测井仪，包括固定在仪器壳体内的中子发生器电源1、带有α探头的氘氚反应中子管2、γ探头3、γ光电倍增管4以及测井仪器的电子学系统5，以上这些组件完全为此类测井仪器的常规结构。本技术方案区别现有技术的结构贴点在于γ光电倍增管4上的γ探头3置于中子管2的氚靶端上方，中子管2的氚靶端与γ光电倍增管4上的γ探头3端之间为一个空气腔。这个空气腔的主要作用在于散热，以防止氚靶散热不好，释放的热量对晶体造成直接加热，如果不是出于这方面的考虑，实际上，可以将中子管2的氚靶端与γ光电倍增管4上的γ探头3端直接相接触，这样源距就会更短。
通过一系列的试验与公式推导，可以将这种应用本技术方案的测井仪器的源距范围确定在6.5厘米～17厘米之间，在这个区间内，能够满足工程上对此类测井仪器测量精度和测量效率的要求。
下面介绍一下关于本实用新型中所述技术方案的形成过程原仪器在α探测器和氚靶之间有一个13cm长的快中子屏蔽体，当时这样设计的目的可能为以下两点。第一是减少井筒对测量信号的干扰，第二是减小快中子对α探头的辐射。第一个想法来源于传统的中子测井仪器设计，第二个想法新仪器源距只有22cm，担心直通的快中子会对探头造成伤害。事实上这两个考虑并没有什么事实根据，相反倒有许多事实证明这种考虑是不必要的。现有碳/氧能谱测井仪，所用源强都在1-1.5×108中子/秒，短探头源距只有25cm2，也没有设计有效的快中子屏蔽体，如不考虑中子在γ探头和氘靶间的散射和吸收，则短探头处的快中子通量密度为1.2*104中子/秒cm2，十几年来，世界在用的仪器并未发生短源距探头因快中子辐照而损坏的报道，而现在的伴随α仪器源距22cm，用107中子/秒的中子源，γ探头处的快中子通量密度为1600中子/秒厘米2，α探头处的快中子和α通量密度都达到1.6*105中子/秒cm2，也还是极安全的，也未发生α探头损坏的问题。以核物理学考虑，14Mev的快中子与元素核的作用方式主要是散射，并不改变原子核的性质，不形成新的同位素，它同样也不会损坏探头。基于此，发明人考虑，如果去掉快中子屏蔽体，那么不论在仪器性能上，还是在安全上都不会造成较坏的影响。
那么，为什么发明人想要去掉长期以来一直存在于此类测井仪器中的快中子屏蔽体哪？原因在于在应用中发现它存在2个重要缺陷，一是α计数率与有效α计数率之比太大，近似到2000/1，使得仪器在满足工程需要的最低γ计数率时，即1000cps，α计数率将必须达到2×106CPS，这样的要求过高，需至少7个光电倍增管才能完成这个任务，这在结构上是无法安排的。另一个缺陷是背景γ计数率在有效γ计数率达到1000cps时将达到300cps，严重损害了数据质量，虽可采取校正措施，但校正后的残余误差仍然不可忽略。
为了解决以上的问题，发明人进行了下面的思考背景γ计数率决定于探头所在位置的γ场强和单位时间内被用于记录的时间，即α计数率于窗宽之积，写成公式NγB∝γB×Nα×ΔTNγB为γ背景值γB为背景γ场强Nα为α计数率ΔT为时间窗宽度。显然场强γB是中子源强和源距的函数，Nα(α计数率)与Nn(中子源强)只差一个常系数，在现中子管中此系数为0.2，所以此式可以写成NαB∝Lb×Nn2×ΔTb＜0常数 L为源距也可写成等式NαB＝Lb×Nn2×α(1)ΔT也是一个常数，在(1)式中已含有在常数“α”中了。在现仪器中Nn＝107，L＝22cm，NγB＝300，b＝-2由此求出α＝NγB/Nn2×L-2＝1.452×10-9(cm-2)有效γ计数率与Nn和源距L-3成正比，所以可写成Nγn＝L-3×Nn×M(2)在现仪器中Nn＝107，L＝22cm，Nγn＝1000则得M＝Nαn/Nn×L-3≈1由(1)(2)式得NγB/Nαn＝(1-2×Nn2×α)/(1-3×Nn×M)＝α/M×Nn×1即NαB/Nγn＝1.452×10-9×Nn×L(3)即背景γ与有效γ之比与中子产额和源距的乘积成正比。
因此，发明人考虑在仪器设计时，可先设定Nγn(例如取2000)和源距(例如10cm)，则根据(2)式可算出中子产额Nn＝2×106中子/秒Nα＝2×106×1/5＝0.4×106NγB＝1.452×10-9×(2×106)2×10-2＝58NγB/Nαn＝58/2000≈2.9％由此可见，新仪器(L＝10cm)，背景α水平下降近9倍，源强降4倍，而有效γ计数则提高了1倍。此例说明，Nα/Nrn由原仪器的2000∶1变为200∶1，当Nrn＝1000cps时，只需一个光电倍增管便可完成α计数工作。在达到Nα＝2000cps时，NγB/Nγn由原仪器的30％下降到5％以下，对资料质量影响可忽略不计。达到同样的Nrn值，所需中子产额只需原仪器的1/5，对工作人员和环境都更加安全。此外，源距缩短，对地质剖面的纵向分辨力更好，更能适应薄油层和非均质油层的需要如图1所示，为利用本技术方案改进后的测井仪器的工作原理图。仪器工作时，若有一个α粒子自靶上A点出发射中α探头B点，则必有一个快中子同时反向自A点射出，经仪器1、井液2、钢管3、水泥环4到M点进入地层5。由于AB、AM的距离和α、中子的速度均已知，故可算出，这个快中子到达M点的时刻，并在这一时刻打开一个时间窗TMP，而当快中子飞到P点时，关闭时间的TMP，由于γ粒子的飞行速度大约是快中子的6倍，且探测区离子探头很近，故可忽略γ粒子自探测区到γ探头的飞行时间。这样，若在TMP时间内γ探头接受到γ信号，则基本可以判断它是这个中子在MP飞行路径上与地层元素发生非弹性碰撞产生的，是有效的γ信号。
此外，由图1可见，沿着开筒方向飞行的中子由于与其伴生的α粒子不能被α探头接收，无法形成时间门，故其激发的任何γ信号都不会被记录，同样，图中中子在M点之前激发的γ信号，由于时间门尚未打开，也不被记录，这就从根本上消除了井筒介质测井的干扰。
图2中显示了本技术方案的内部组成结构，其中电子学系统5由α信号快放大器、α信号整型和延迟时间调整、时间窗形成、γ信号快放大器、γ信号整型、时间窗与快γ信号符合电路、γ谱信号放大器、γ谱信号分析电路、系统电源、数字通信部件等组成。它的电子学系统的工作过程如下若α探头接受到一个α信号，经快放大器5a放大，5b整形并调整延迟时间，5c形成时间窗，与此α信号伴生的快中子与α反向飞出进入地层激发出的有用γ信号被γ探头记录，分成2路，一路经快放大器5d，整形器5e进入5f与时间窗信号符合，产生有用γ信号的确认信号，γ的另一路进入谱放大器5g、5h做谱分析，分析结果在确认信号的引导下存入仪器指定的存储区，并在适当的时候，经数字通信系统送上地面仪器，做进一步分析。
实际应用本技术方案，完成仪器的制造时，可以按照如下方式选择源距的上下限。首先确定上限17cm。这个确定原因主要在于以安装α探头数量的可行上考虑。现结构安装4个，再增加是有困难的，以安装4个和有效γ1000cps考虑，按照前面推导出的公式，采用最长17cm源距α总计数量106cps(Nrn＝1000cps)每个光电倍增管计数率为250Kcps，因此可行。从理论上考虑，根据测井工程需要和当前在用的碳氧比能谱测井仪技术标准。仪器碳、氧两道的计数率之和不能小于1000CPS，故本实用新型也设定Nrn＝1000CPS。受仪器结构的限制，目前最多只能安装4个光电倍增管接收α信号，而根据中国专利ZL98219005.0提供的数据配硫化锌探头，一个光电倍增管的最高计数率为2～3*105CPS。我们取其中间值2.5*105CPS，计4个α光电倍增管的最高计数率之和为106CPS.现有的中子管其α探头(晶体)计数率为中子产额的1/5，即Nn＝5Nα，将这些数据代入公式
Nrn＝αNn*L-3，得1000＝5*106L-3，L3＝5*103对等式两边取对数后可得出L＝17厘米.
其次确定下限为6.5cm。这是因为下限受到可利用空间的限制，中子管氘靶到管顶面有1cm距离，靶发热10VA，靶上面应至少留1cm空间，利于对流散热，γ探头晶体顶面到外壳面有0.5cm厚，若采用8cm长晶体，其半长度4cm(现仪器用10cm长晶体)，这样源距为6.5cm。若采用10cm长晶体，则源距变为7.5cm，考虑到10cm晶体、7.5cm源距，只此8cm晶体6.5cm源距，计数率只增加5％，可以不计，所以源距下限6.5cm。原则上γ探头晶体下端离氚靶越近越好，但要保留晶体与氚靶间至少有2厘米的空隙，其中1厘米是氚靶到中子管端部的距离，1厘米是散热间隙，而晶体本体的顶部与封装好的探头顶部还有0.5厘米的距离.这样，晶体顶部到氚靶的距离至少应有2.5厘米.考虑到计数率要求晶体长度不应小于8厘米，现在仪器为10厘米，取其半长度4厘米，所以仪器最小源距为6.5厘米.
权利要求1.一种短源距连续碳氧比能谱测井仪，包括固定在仪器壳体内的中子发生器电源(1)、带有α探头的氘氚反应中子管(2)、γ探头(3)、γ光电倍增管(4)以及测井仪器的电子学系统(5)，其特征在于γ光电倍增管(4)上的γ探头(3)置于中子管(2)的氚靶端下方，中子管(2)的氚靶端与γ光电倍增管(4)上的γ探头(3)端之间为一个空气腔。
2.根据权利要求1所述的一种短源距连续碳氧比能谱测井仪，其特征在于中子管(2)的氚靶端与γ探头(3)上的放射源之间的距离范围在6.5厘米～17厘米之间。
专利摘要一种通过测量地层碳氧两种元素之比确定油层含油饱和度的连续碳氧比能谱测井仪。主要解决现有的伴随α碳氧比能谱测井仪其α计数率、γ背景值均过高的不足。其特征在于γ光电倍增管(4)上的γ探头(3)置于中子管(2)的氚靶端下方，中子管(2)的氚靶端与γ光电倍增管(4)上的γ探头(3)端之间为一个空气腔。该种短源距连续碳氧比能谱测井仪具有可大大缩短源距从而使得α计数率、γ背景值尽可能的接近工程测量上期望的理想值，提高了这种连续中子测井仪器的测量精度、保证了测量效率。
文档编号G01V5/12GK2906063SQ200620001139
公开日2007年5月30日 申请日期2006年1月17日 优先权日2006年1月17日
发明者曲贤才 申请人:曲贤才