隨鉆脈沖中子伽馬密度測(cè)井最佳源距的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張　鋒，韓忠悅，吳　赫，韓　飛

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島　266580)

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隨鉆脈沖中子伽馬密度測(cè)井最佳源距的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張鋒，韓忠悅，吳赫，韓飛

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580)

摘要：采用脈沖中子源進(jìn)行密度測(cè)井，可避免傳統(tǒng)密度測(cè)井放射性源對(duì)環(huán)境的影響，更加安全、環(huán)保。目前國(guó)內(nèi)隨鉆脈沖中子伽馬密度技術(shù)還處于起步階段，隨鉆中子伽馬密度儀參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高地層密度測(cè)量精度的關(guān)鍵。本研究通過由D-T中子源及2個(gè)伽馬探測(cè)器組成的隨鉆中子伽馬密度儀器，研究了源距對(duì)中子伽馬密度測(cè)井的影響，通過靈敏度和計(jì)數(shù)比統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行源距優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最佳短源距為25～35 cm，長(zhǎng)源距為60～65 cm，研究結(jié)果為隨鉆脈沖中子伽馬密度測(cè)井儀器研發(fā)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：脈沖中子；伽馬射線；地層密度；源距；優(yōu)化設(shè)計(jì)

地層密度測(cè)井最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，Odom[1]對(duì)密度測(cè)井的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。早期的地層密度測(cè)井儀使用放射源，通過記錄由地層返回到探測(cè)器的伽馬射線確定地層密度。在過去的半個(gè)世紀(jì)里，計(jì)算機(jī)硬件和電子工業(yè)經(jīng)歷了重大變革，促進(jìn)了測(cè)井儀器數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展，但密度測(cè)井所用的放射源類型基本沒有變化。

測(cè)井服務(wù)公司必須對(duì)測(cè)井儀器進(jìn)行嚴(yán)格保管，避免出現(xiàn)安全、健康和環(huán)境隱患[2]。因此，測(cè)井服務(wù)公司積極尋找替代源。Odom等[3]對(duì)康普樂PND-S儀器進(jìn)行升級(jí)，利用非彈散射伽馬射線擴(kuò)散長(zhǎng)度完成套管井密度測(cè)量；斯倫貝謝公司W(wǎng)eller 等[4-5]首次推出包括脈沖中子密度測(cè)井在內(nèi)的隨鉆測(cè)井平臺(tái)EcoScope，實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)井中 “無(wú)源化”密度測(cè)量。隨著科技進(jìn)步，利用可控脈沖中子源替代傳統(tǒng)放射源是核測(cè)井發(fā)展的必然趨勢(shì)[6-8]。本文建立了隨鉆中子伽馬密度儀器-地層模型，通過蒙特卡羅方法對(duì)源距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定中子伽馬密度測(cè)井儀器的最佳源距組合。

1蒙特卡羅模型建立

1.1中子伽馬密度測(cè)井原理

中子伽馬密度測(cè)井原理示于圖1。由D-T中子源產(chǎn)生的高能快中子進(jìn)入地層后，與地層元素原子核發(fā)生非彈性散射，并釋放相應(yīng)的特征伽馬射線；隨著中子能量的降低，中子與原子核發(fā)生彈性散射；當(dāng)能量進(jìn)一步降低變成熱中子時(shí)，將與原子核發(fā)生輻射俘獲反應(yīng)，放出俘獲伽馬射線。利用中子與地層產(chǎn)生的非彈性散射伽馬射線作為伽馬源，通過探測(cè)次生伽馬射線可實(shí)現(xiàn)密度測(cè)井。

圖1　中子伽馬密度測(cè)井原理示意圖Fig.1　Neutron-gamma density loggingprinciple diagram

1.2模型建立

儀器模型示意圖示于圖2。地層半徑為10～70 cm，近探測(cè)器源距32 cm，遠(yuǎn)探測(cè)器源距60 cm，井眼直徑20 cm，地層的徑向、縱向間隔均為5 cm；脈沖中子源發(fā)射的中子能量為14 MeV，脈沖寬度為20 μs；記錄的快中子能量為14 MeV，伽馬能窗為0.7～8.5 MeV；記錄非彈伽馬的時(shí)間窗為0～20 μs，俘獲伽馬的時(shí)間窗為25～100 μs；模擬追蹤5×107個(gè)粒子。鉆鋌的材料為無(wú)磁鋼，鉆鋌直徑為17.145 cm。

2最佳源距的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)密度測(cè)量的靈敏度和計(jì)數(shù)比統(tǒng)計(jì)性確定探測(cè)器源距。一般情況下，源距越大，靈敏度越高，計(jì)數(shù)比統(tǒng)計(jì)性越差。因此，最佳源距要在滿足統(tǒng)計(jì)誤差的基礎(chǔ)上使靈敏度盡可能高。

圖2　儀器模型示意圖Fig.2　Tool model

2.1零源距

在儀器設(shè)計(jì)中，為了保證儀器密度響應(yīng)，源距的選擇要避開零源距。為了研究D-T可控中子伽馬密度測(cè)井儀零源距的具體位置，選用純石灰石作為地層骨架(CaCO3，ρ=2.71 g/cm3)。當(dāng)?shù)貙雍瑲渲笖?shù)為20%時(shí)，選取密度分別為1.74、2.05、2.36 g/cm3的地層，將NaI伽馬探測(cè)器設(shè)置在源距L=15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100 cm處，用蒙特卡羅方法(MCNP)模擬計(jì)算每種情況的非彈伽馬射線的計(jì)數(shù)與源距的關(guān)系。不同地層密度下各源距處非彈伽馬通量示于圖3。

圖3　不同地層密度下各源距處非彈伽馬通量Fig.3　Gamma ray flux at different spacing anddifferent density

由圖3可以看出，在近中子源處，密度越大的地層伽馬計(jì)數(shù)越高，密度越小的地層伽馬計(jì)數(shù)越低。隨源距增大，相同地層條件下探測(cè)器處光子通量幾乎成指數(shù)下降，在源距大約為24 cm處，圖中的幾條線幾乎交于一點(diǎn)，非彈伽馬計(jì)數(shù)幾乎都相等，即為零源距；隨著源距的進(jìn)一步增大，不同地層密度探測(cè)器處脈沖幅度計(jì)數(shù)的差異逐漸增大，當(dāng)源距較大以后，地層密度越大，伽馬脈沖幅度計(jì)數(shù)越小，探測(cè)器對(duì)于不同地層密度的計(jì)數(shù)差異也越大。因此，隨鉆可控源密度測(cè)井的零源距約為24 cm?？紤]到儀器結(jié)構(gòu)，短源距應(yīng)該選在25～35 cm之間。

2.2密度靈敏度

2.2.1密度靈敏度與源距的關(guān)系

(1)

相對(duì)靈敏度隨長(zhǎng)源距的變化關(guān)系示于圖4。以短源距20 cm為例，長(zhǎng)源距從30 cm依次增加到100 cm，地層骨架為石灰?guī)r，含氫指數(shù)為0.2，地層密度為2.189 g/cm3，計(jì)算不同源距組合時(shí)非彈伽馬計(jì)數(shù)比對(duì)密度測(cè)量的靈敏度。

圖4　相對(duì)靈敏度隨長(zhǎng)源距變化關(guān)系Fig.4　 Relationship between the relativesensitivity and long spacing

由圖4可以看出，固定短源距，隨著長(zhǎng)源距增大，非彈伽馬計(jì)數(shù)比對(duì)密度測(cè)量的靈敏度也增大。源距越大，非彈伽馬計(jì)數(shù)比對(duì)密度測(cè)量的靈敏度越大。

2.2.2密度靈敏度與探測(cè)器間距的關(guān)系

圖5　不同源距組合非彈伽馬計(jì)數(shù)比與地層密度的關(guān)系Fig.5　Relationship between count ratio anddifferent spacing combinations

不同源距組合非彈伽馬計(jì)數(shù)比與地層密度的響應(yīng)關(guān)系結(jié)果示于圖5。為了分別考察兩個(gè)伽馬探測(cè)器的源距組合對(duì)密度響應(yīng)的影響，固定一個(gè)探測(cè)器源距不變，變化另一個(gè)探測(cè)器位置，分析遠(yuǎn)、近探測(cè)器間隔對(duì)非彈伽馬計(jì)數(shù)比值與地層密度的響應(yīng)變化關(guān)系及密度靈敏度，得到兩個(gè)探測(cè)器不同間隔的密度響應(yīng)規(guī)律。設(shè)定地層含氫指數(shù)為20%，固定近探測(cè)器在30 cm處，而將遠(yuǎn)探測(cè)器分別放置于40、50、60、70、80 cm處。

由圖5可知，遠(yuǎn)、近探測(cè)器間隔越大，非彈伽馬計(jì)數(shù)比值越大，且隨地層密度的變化率越大，即對(duì)于密度變化的靈敏度越高。

以密度為1.74 g/cm3和2.36 g/cm3的飽含水石灰?guī)r地層為例，利用(1)式分別計(jì)算不同源距組合時(shí)，地層密度為1.74 g/cm3和2.36 g/cm3的相對(duì)靈敏度，同時(shí)計(jì)算出絕對(duì)靈敏度，計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1　不同源距組合的靈敏度分析

由表1可以看出，短源距固定，長(zhǎng)源距增大，遠(yuǎn)、近探測(cè)器間距越大，測(cè)量密度的絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度都增大；密度越大，相對(duì)靈敏度越低，絕對(duì)靈敏度與地層密度大小無(wú)關(guān)。因此，從密度測(cè)量靈敏度考慮，應(yīng)盡可能增加源距和探測(cè)器間隔以提高密度測(cè)量的靈敏度。

3計(jì)數(shù)比統(tǒng)計(jì)性

實(shí)際中子伽馬密度ρ與非彈、俘獲伽馬計(jì)數(shù)比關(guān)系近似滿足下列關(guān)系：

(2)

其中，N1、N2分別為近、遠(yuǎn)探測(cè)器非彈伽馬計(jì)數(shù)，N3、N4分別為近、遠(yuǎn)探測(cè)器俘獲伽馬計(jì)數(shù)。

根據(jù)誤差傳遞公式，密度統(tǒng)計(jì)誤差Δρ

(3)

其中，DNN為N1、N2、N3和N4的誤差矩陣；K為密度ρ關(guān)于N1、N2、N3和N4導(dǎo)數(shù)矩陣,具體表達(dá)式如下：

(4)

根據(jù)實(shí)際測(cè)井條件，脈沖中子源產(chǎn)額為1×108n/s，遠(yuǎn)探測(cè)器的截面積為44.82 cm2，鉆速為120 m/h，采樣間隔為0.1 m，探測(cè)器的探測(cè)器效率為25%，則可以求得誤差矩陣DNN。

固定短源距為30 cm，改變長(zhǎng)源距32～86 cm，得出的不同源距組合的密度統(tǒng)計(jì)誤差示于圖6。

圖6　不同源距組合與統(tǒng)計(jì)誤差的關(guān)系Fig.6　Error at different spacing

從圖6可以看出，固定短源距，長(zhǎng)源距越大，密度誤差越大。在近源距為30 cm時(shí)，為保證密度測(cè)量統(tǒng)計(jì)誤差小于0.05 g/cm3，長(zhǎng)源距應(yīng)小于65 cm。

綜合上述，考慮到零源距和儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，短源距應(yīng)為25～35 cm；根據(jù)密度靈敏度和測(cè)量統(tǒng)計(jì)誤差的要求，長(zhǎng)源距應(yīng)為60～65 cm。

4小結(jié)

(1) 中子伽馬密度測(cè)井儀的零源距大約為24 cm；隨著源距的增加，非彈散射伽馬計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差變大；遠(yuǎn)、近探測(cè)器間距越大，測(cè)量靈敏度越大，但統(tǒng)計(jì)誤差增大。

(2) 綜合考慮零源距、儀器結(jié)構(gòu)確定中子伽馬密度測(cè)井儀短源距應(yīng)為25～35 cm；密度測(cè)量誤差小于0.05 g/cm3，確定遠(yuǎn)探測(cè)器最佳源距約為60～65 cm。

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Optimized Design of Spacing in Pulsed Neutron Gamma Density Logging While Drilling

ZHANG Feng, HAN Zhong-yue, WU He, HAN Fei

(SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract:Radioactive source, used in traditional density logging, has great impact on the environment, while the pulsed neutron source applied in the logging tool is more safety and greener. In our country, the pulsed neutron-gamma density logging technology is still in the stage of development . Optimizing the parameters of neutron-gamma density instrument is essential to improve the measuring accuracy. This paper mainly studied the effects of spacing to typical neutron-gamma density logging tool which included one D-T neutron generator and two gamma scintillation detectors. The optimization of spacing were based on measuring sensitivity and counting statistic. The short spacing from 25 to 35 cm and long spacing from 60 to 65 cm were selected as the optimal position for near and far detector respectively. The result can provide theoretical support for design and manufacture of the instrument.

Key words：pulsed neutron; gamma rays; formation density; spacing; optimization design

收稿日期：2015-05-21;修回日期：2016-01-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41374125, 41574119)；國(guó)家重大油氣專項(xiàng)(No.2011ZX0520-002)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(14CX05011A)

作者簡(jiǎn)介：張鋒(1970—)，男，山東莒南人，教授，從事核測(cè)井方法基礎(chǔ)、核測(cè)井資料處理及蒙特卡羅模擬等研究

中圖分類號(hào)：TL816+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-7512(2016)02-0093-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0093