[发明专利]多源距随钻中子孔隙度测量装置及其测量方法

权利要求书

1.一种多源距随钻中子孔隙度测量装置，包括无磁钻铤、中子发射单元、快中子监测单元、热中子探测单元及控制单元，其特征在于：

所述中子发射单元包含多个加速器中子源，所述加速器中子源沿轴向固定在泥浆通道的内壁上，各加速器中子源的中子源靶端指向钻头方向，每个加速器中子源均配备独立的供电电路及控制电路，在测量作业时，可选择性的开启其中的1个、2个及4个加速器中子源以分别对应方位孔隙度测量模式、节能或全功率平均孔隙度测量模式；

所述快中子监测单元包含多组快中子监测器组，所述多组快中子探测器组沿轴向间隔设置的固定在泥浆通道内壁上，每个快中子探测器组均包含4个快中子探测器，各组的4个快中子探测器在相同高度均布于泥浆通道1内壁，而每个快中子探测器均独立计数及存储；

所述热中子探测单元包含多组热中子探测器组，所述多组热中子探测器组沿轴向固定在钻铤的外壁上，其中，所述多组热中子探测器组的数量和设置高度与多组快中子监测器组一一对应，每组热中子探测器组包含4个热中子探测器，每组的4个热中子探测器在相同高度均布于钻铤的外壁，每个探测器独立计数，其测量结果作为计算中子孔隙度的依据；

所述控制单元分别连接至中子发射单元、快中子监测单元和热中子探测单元，以将快中子监测单元及热中子探测单元测量得到的电信号转化为中子孔隙度参数，然后将置于井下存储模块或上传至地面供作业工程师实时调整井眼轨迹；

还包含中子屏蔽结构，所述中子屏蔽结构设置于多组快中子监测器组的内侧以阻止中子沿泥浆通道从仪器内进入热中子探测单元以及阻止地层返回的中子进入快中子监测器组，保证快中子探测器仅接收未经地层减速而直接来自中子源并沿泥浆通道传输的中子。

2.如权利要求1所述的多源距随钻中子孔隙度测量装置，其特征在于：所述控制单元包括：电源变换及供电电路、快中子探测器信号处理及计数电路、热中子探测器信号处理及计数、工程参数处理电路和CPU控制及处理电路。

3.如权利要求1所述的多源距随钻中子孔隙度测量装置，其特征在于：多组快中子监测器组包含4组快中子监测器组，所述4组快中子监测器组与加速器中子源的距离由近及远间隔设置，所述多组热中子探测器组包含4组热中子探测器组，4组热中子探测器组的设置高度与4组快中子监测器组一一对应。

4.如权利要求1所述的多源距随钻中子孔隙度测量装置，其特征在于：所述中子屏蔽结构采用内层为重元素、外层为轻元素的复合屏蔽结构。

5.如权利要求1-4中任一所述的多源距随钻中子孔隙度测量装置的测量方法，其特征在于包含如下具体步骤：

步骤一：根据实际情况及测量环境，开启其中的1个、2个或4个中子源，对应不同的测量模式，开启1个中子源时对应方位孔隙度测量模式，开启2或4个中子源时对应节能或全功率平均孔隙度测量模式；

步骤二：控制单元分别接收快中子监测单元以及热中子探测单元的检测信号，并根据如下公式得到快中子和热中子的信息；

快中子的位置信息：

热中子的位置信息：

其中r为源距，D_e是快中子的扩散系数，D_t是热中子的扩散系数，L_e，L_t分别为快中子的减速长度和热中子的扩散长度；

根据探测点的中子通量密度，若热中子探测器的转换效率为K_t，快中子探测效率为K_e，则热/快中子探测器的计数率分别为：

快中子：

热中子：

同一时间测得4个热中子计数率，即N_t(r_a)、N_t(r_b)、N_t(r_c)、N_t(r_d)，a、b、c、d代表了同一组中不同的热中子；

步骤三：在不同的测量模式对数据进行处理，具体如下：

(1)停钻测量时，4个数据进行两两配对计算中子孔隙度数值，即N_t(r_a)/N_t(r_b)、N_t(r_a)/N_t(r_c)、N_t(r_a)/N_t(r_d)、N_t(r_b)/N_t(r_c)、N_t(r_b)/N_t(r_d)、N_t(r_c)/N_t(r_d)，并通过反演算法得到对应的6个对应地层不同位置的中子孔隙度数值；

(2)旋转钻进时，由于仪器受振动和冲击的影响，测量数据的随机扰动变大，选择[N_t(r_a)+N_t(r_b)]/[N_t(r_c)+N_t(r_d)]作为中子孔隙度计算的依据，减小复杂工况对测量数据的影响，保证在实时钻井测量时的数据准确度。