脈沖中子氧活化測井時間譜的模擬計算

姜亦忠 徐 琳 王建民 杜 輝

(大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江大慶)

脈沖中子氧活化測井時間譜的模擬計算

姜亦忠 徐 琳 王建民 杜 輝

(大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江大慶)

文章從氧活化測井基礎(chǔ)出發(fā),建立了測井儀器探測模型,應(yīng)用中子活化和探測函數(shù)計算出了不同流速情況下的時間譜,計算的結(jié)果與實際測量的時間譜具有良好的一致性,證明該計算方法是可行的。該模擬計算方法可以為氧活化儀器設(shè)計和刻度系數(shù)的確定提供理論基礎(chǔ)。

氧活化測井;脈沖中子;時間譜;模擬

0 引 言

脈沖中子氧活化測井技術(shù)已經(jīng)在各油田得到了廣泛的應(yīng)用,而且取得了明顯的效果。實際應(yīng)用中,為了獲得準確的流速,需要經(jīng)過流動刻度裝置對有效源距進行刻度,但目前的流動刻度裝置很少能夠滿足放射性防護的要求,因此在實際應(yīng)用中往往給出的是相對變化的流量。同時在新儀器的設(shè)計中,給出的源距沒有理論基礎(chǔ),往往是根據(jù)經(jīng)驗給出的。為了解決儀器刻度和設(shè)計中的問題,更好地提高測量精度,從氧活化測井基本原理出發(fā),模擬活化和測量的過程,通過模擬計算給出不同流速下的時間譜,為氧活化技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 氧活化測量原理

中子發(fā)生器發(fā)射的高能中子輻照井眼周圍和地層中的物質(zhì),發(fā)生多種核反應(yīng)。受到10.2 MeV以上能量中子輻射時,水中的16O原子核能被活化成放射性16N原子核;半衰期為7.13 s,通過衰變再變回到16O原子核,并發(fā)射6.13 MeV和7.11 MeV能量的伽馬射線。脈沖氧活化測井儀器中的中子發(fā)生器先發(fā)射1 s～20 s的中子脈沖,活化儀器周圍流過的水,使其具有放射性。在水的流動方向上放置多個伽馬射線探測器,探測記錄活化水流經(jīng)探測器產(chǎn)生的隨時間變化的計數(shù)率分布譜。通過多次重復發(fā)射中子和記錄伽馬射線,降低伽馬計數(shù)統(tǒng)計漲落,在計數(shù)率對時間的分布譜上,就能確定出活化水的到達時間。用此時間除以已知的中子發(fā)生器到探測器之間的距離,計算出水流速度[1、2]。由于高能中子和高能伽馬射線可以穿透鋼套管,因此這種方法可以測量油管內(nèi)、油管外甚至套管外水流的速度,適用于在籠統(tǒng)注入井和分層注入井中測量注入剖面。該方法還可用于檢測封隔器漏失和套管外水泥環(huán)中的竄流。

2 理論模型

應(yīng)用蒙特卡洛方法可以計算氧活化的活化分布和探測器的響應(yīng)函數(shù),因此可以預測出水流動帶來的探測器計數(shù)率的變化[3]。

式中,λ是衰變常數(shù),S(t)是時間t時的中子源強度,t0是活化期的起始時刻,ta是活化時間,A是流動橫截面積,D(z)是相對中子源位置的活化分布,R(z)是相對于探測器平面的探測器響應(yīng)函數(shù)。L是探測器源距,v是流動速度。

3 計算模型

為了應(yīng)用蒙特卡洛方法得到探測器響應(yīng)函數(shù)和活化分布函數(shù),建立了相應(yīng)的計算模型,如圖1所示,井筒為標準的139.7mm套管,井筒內(nèi)為外徑43mm的氧活化儀器,水流方向為y方向,中子源的位置為原點,探測器到中子源的距離為L=100 cm,水流在套管和儀器間的環(huán)形空間流動,流速為 v,經(jīng)過中子源的活化,流到探測器被探測。

通過蒙特卡洛模擬可以得到活化分布函數(shù)和探測器響應(yīng)函數(shù)。

圖1 氧活化測井模型圖

4 模擬計算結(jié)果

應(yīng)用公式(1)計算活化期為2 s,源距100 cm情況下不同水流的活化分布和時間譜分布,時間譜測量間隔為0.1 s,如圖2、3所示。從圖中可以看出,隨著流速的增加,活化分布越來越寬,幅度越來越小,這是由于流速越快,氧元素受中子源活化的時間越短,單位體積活化核分布越少。從時間譜中可以看出,流速越慢,測量到的伽馬射線越少,分布越寬,這是由于流動過程中活化核的衰減造成的;當流速超過一定數(shù)值后,部分活化核沒有衰減就流過了探測器,因此造成時間譜的峰值降低。

圖2 不同流速情況下活化分布圖

圖3 不同流速下的時間譜

圖4顯示的是模擬計算的流速為5.27 cm/s的時間譜與實測的時間譜對比圖,圖5顯示的是流速為9.25 cm/s的計算譜與實測譜對比圖。

圖4 流速5.27 cm/s實測譜與計算譜對比圖

圖5 流速9.25 cm/s實測譜與計算譜對比圖

從圖中可以看出,計算的時間譜與實測的時間譜對應(yīng)得很好,計算的峰位與實測結(jié)果具有良好的一致性,證明該模擬計算方法是真實有效的。

5 結(jié) 論

氧活化測井技術(shù)已經(jīng)在各油田開始大面積應(yīng)用,而且取得了明顯的應(yīng)用效果,不同源距儀器經(jīng)過刻度得到有效的源距,用于計算流速。由于國內(nèi)多數(shù)流動刻度裝置不具備放射性刻度條件,使得無法對儀器進行校準,帶來測量誤差。脈沖種子氧活化的模擬計算方法,通過理論推導給出了時間譜模擬計算公式,同時計算的結(jié)果與實測結(jié)果一致,為氧活化測井儀器的設(shè)計和刻度系數(shù)的計算提供了技術(shù)支持。

[1] 王建民,肖培琛.氧活化技術(shù)在聚合物注入剖面測井中的應(yīng)用[J].測井技術(shù),1999,23(3)

[2] 羅順忠.核技術(shù)應(yīng)用[M].哈爾濱工程大學出版社,2009

[3] D.C.Mckeon.Interpretation of oxygen activation logs for detecting water flow in producing and injection wells.SPW LA 32rid Annual Logging Symposium,1991

Simulation of time spectrum by oxygen activation logging.

Jiang Yiqing,Xu Lin,Wang Jianmin and Du Hui.

Based on the principle of oxygen activation logging,the theoretical model is built up and neutron activation and sensing function is derived.Using this function,the time spectrum of activated fluid at various speeds is calculated.The consistency between theoretical and fields results verifies the method.It will be very useful in the tool design and the determination of the calibration.

oxygen activation water flow 1ogging;pulse neutron;time spectrum;simulation

P631.8+17

B

1004-9134(2011)06-0005-02

姜亦忠,男,1968年生,高級工程師,1990年畢業(yè)于吉林大學物理系,現(xiàn)在大慶鉆探工程公司測井公司從事測井儀器研發(fā)制造工作。郵編：163412

2011-07-13

劉雅銘)

PI,2011,25(6)：5～6

·方法研究·