地層元素測井儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐琳

(中國石油集團(tuán)測井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

地層元素測井儀器測量高能中子激發(fā)的地層元素次生伽馬射線,將伽馬射線強(qiáng)度記錄成伽馬曲線,通過解譜分析,可計(jì)算地層中主要元素含量和礦物含量。斯倫貝謝公司1996年推出化學(xué)源地層元素測井儀器(ECS)[1],2015年推出脈沖中子源地層元素測井儀器(Litho_Scanner);哈里伯頓公司2009年推出化學(xué)源地層元素測井儀器(GEM)[2];貝克休斯公司2009年推出脈沖中子源地層元素測井儀器(FLeX)[3]。中國石油天然氣集團(tuán)測井有限公司2013年研發(fā)了地層元素測井儀器(FEM)。

為了安全、健康、環(huán)保,各大測井公司現(xiàn)階段更傾向于使用脈沖中子源[4],脈沖中子源替代化學(xué)源是核測井發(fā)展的趨勢[5]。本文利用脈沖中子地層元素測井儀器的原理建立基礎(chǔ)物理模型,通過蒙特卡羅模擬方法模擬儀器結(jié)構(gòu)變化對儀器響應(yīng)的影響[6-7],綜合比對分析,得出最優(yōu)化的地層元素測井儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 蒙特卡羅模型建立

本文以國內(nèi)外常見脈沖中子地層元素測井儀器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),建立地層元素測井儀器蒙特卡羅數(shù)值模擬模型(見圖1)。模型中地層形狀為水平方向圓柱體,地層高度120 cm,地層直徑50 cm。井眼形狀為與地層同軸水平方向圓柱體,井眼高度120 cm,井眼直徑20 cm,井眼內(nèi)流體是清水、納基膨潤土及植物膠混合物,3種物質(zhì)質(zhì)量比例為1 000∶25∶3。儀器形狀為水平方向圓柱體,貼井壁放置,儀器內(nèi)徑13.5 cm,儀器外徑14 cm。儀器外殼材質(zhì)為鐵含量較低的不銹鋼;儀器屏蔽體為鎢鎳合金,放置在中子源和晶體探測器之間;探測器為鍺酸鉍(Bi4Ge3O12,簡稱BGO)晶體探測器,晶體探測器的尺寸為Φ7.62 cm×10.16 cm;硼套為硼含量10%的橡膠。

圖1 地層元素測井儀器蒙特卡羅模型

模擬時(shí),中子源發(fā)射14 MeV快中子,快中子與地層中元素的原子核發(fā)生非彈性散射,放射出非彈性散射伽馬射線,快中子經(jīng)過能量衰減減速形成熱中子,熱中子被地層中元素的原子核俘獲,放射出俘獲伽馬射線。BGO晶體探測器則可以探測并記錄這些非彈性散射伽馬射線和俘獲伽馬射線。數(shù)據(jù)采集電路記錄BGO晶體探測器內(nèi)的伽馬射線能量強(qiáng)度,采集到的伽馬射線能量范圍為0～10 MeV,分為256個(gè)測量道。

2 中子屏蔽體厚度和儀器響應(yīng)關(guān)系

蒙特卡羅模型中,地層物質(zhì)設(shè)置孔隙度為50%的完全含水砂巖,地層元素測井儀器源距30 cm。分別模擬了中子屏蔽體厚度為8、10、12、14、16、18、20 cm的地層元素測井儀器測量的曲線(見圖2)。由模擬曲線可以看出,隨著中子屏蔽體厚度增加,儀器計(jì)數(shù)率會逐漸降低,但是降低幅度有限,對采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量不會造成較大影響。

圖2 配置不同厚度中子屏蔽體的地層元素測井儀器模擬曲線

地層元素測井儀器測量時(shí),在模型中放置中子探測器,探測中子屏蔽體對快中子的屏蔽率。在中子屏蔽體厚度達(dá)到14 cm時(shí),屏蔽體對快中子的屏蔽率達(dá)80%以上(見圖3)。中子屏蔽體厚度超過14 cm時(shí),快中子屏蔽率緩慢增加。因此,在條件允許的情況下,應(yīng)該放置厚度大于14 cm的中子屏蔽體。

圖3 快中子屏蔽率隨中子屏蔽體厚度變化曲線

3 源距和儀器響應(yīng)的關(guān)系

3.1 源距和計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系

在蒙特卡羅模型中,地層物質(zhì)設(shè)置孔隙度為50%的完全含水砂巖,中子屏蔽體厚度設(shè)置為14 cm。分別模擬源距為30、34、38、42、46、50、54 cm的地層元素測井儀器測量曲線(見圖4),圖4中氫峰、硅峰明顯,符合地質(zhì)和實(shí)際測量規(guī)律。由圖4可見,計(jì)數(shù)率隨源距的增大逐級降低,當(dāng)源距為46、50、54 cm時(shí),曲線特征峰變得平滑,波動性變小。

圖4 不同源距條件下地層元素測井儀器模擬曲線

3.2 源距和噪音信號之間的關(guān)系

在地層元素測井儀器采集伽馬信號時(shí),如何消除低能量噪音信號是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。低能量噪音會與高能量信號產(chǎn)生堆積,影響測量曲線形態(tài)。一般認(rèn)為,0～0.5 MeV能量的伽馬信號為噪音信號。

模擬源距為30、34、38、42、46、50、54 cm時(shí)地層元素測井儀器在孔隙度為50%的完全含水砂巖中的測量曲線。將能量強(qiáng)度為0～0.5 MeV的伽馬射線計(jì)數(shù)率相加結(jié)果繪制成圖5,由圖5可見,隨著源距的增大,能量強(qiáng)度為0～0.5 MeV的伽馬射線其計(jì)數(shù)率會減少,測量到的曲線形態(tài)會更加準(zhǔn)確。

圖5 不同源距條件下0～0.5 MeV伽馬射線計(jì)數(shù)率變化圖

3.3 源距和縱向分辨能力之間關(guān)系

在蒙特卡羅模型中,距離地層元素測井儀器軸向方向25 cm內(nèi)的地層物質(zhì)設(shè)置為無,距離地層元素測井儀器軸向方向25～50 cm的地層物質(zhì)設(shè)置為孔隙度50%的完全含水砂巖。分別模擬了源距為30、34、38、42、46、50、54 cm時(shí)地層元素測井儀器測量的曲線(見圖6),模擬數(shù)據(jù)反映了儀器縱向分辨能力。

圖6 不同源距條件下地層元素測井儀器軸向25～50 cm區(qū)間模擬曲線

地層元素測井儀器源距為46、50、54 cm時(shí),能量強(qiáng)度為4～8 MeV的伽馬射線計(jì)數(shù)率變化較小。源距為34、38、42 cm時(shí),地層元素測井儀器采集到的伽馬射線曲線有較多重合;源距為30 cm時(shí),地層元素測井儀器縱向分辨率最好;源距為34、38、42 cm時(shí),地層元素測井儀器縱向分辨率中等;源距為46、50、54 cm時(shí),地層元素測井儀器縱向分辨率較差。

通過源距和噪音信號之間的關(guān)系可以看出源距增大會減少噪音信號。通過源距和計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系和本節(jié)前面的分析可以看出,源距增大會減少計(jì)數(shù)率和縱向分辨能力。各種因素綜合考慮后認(rèn)為,源距為42 cm時(shí),能夠保證儀器的計(jì)數(shù)率和縱向分辨能力較好,同時(shí)最大程度減少噪音信號。

4 晶體探測器尺寸和儀器響應(yīng)的關(guān)系

地層元素測井儀器晶體探測器是獲取次生伽馬曲線數(shù)據(jù)的關(guān)鍵,其尺寸大小不僅影響儀器整體結(jié)構(gòu),還對儀器計(jì)數(shù)率有較大的影響。通過模擬不同尺寸BGO晶體探測器測量曲線,對比分析最優(yōu)探測器晶體探測器尺寸。

通常地層元素測井儀器BGO晶體探測器尺寸為Φ7.62 cm×10.16 cm,加裝保溫瓶后,儀器直徑一般大于13.5 cm,由于直徑較粗造成該儀器相比直徑為9 cm的常規(guī)測井儀器更容易遇阻遇卡,并且在套管井中應(yīng)用受套管內(nèi)徑所限。通過模擬分析,嘗試是否可以減小BGO晶體探測器直徑及增大BGO晶體探測器高度,獲得同等或相近的測量效果。

模型設(shè)置源距為42 cm、中子屏蔽體厚度為16 cm,地層物質(zhì)孔隙度為50%的完全含水砂巖。通過圖7可見,裝配高度相同、直徑越大的BGO晶體探測器,地層元素測井儀器測得的計(jì)數(shù)率越高;裝配直徑相同、高度越大的BGO晶體探測器,地層元素測井儀器測得的計(jì)數(shù)率越高。

圖7 放置不同尺寸BGO晶體探測器的地層元素測井儀器模擬曲線

晶體探測器的體積增大會增加測得的計(jì)數(shù)率,根據(jù)圓柱體體積公式,晶體探測器的直徑增大對晶體探測器的體積增大按指數(shù)性增加,高度增加對晶體探測器的體積增大按線性增加。通過模擬發(fā)現(xiàn),直徑5 cm的BGO晶體探測器,在晶體探測器高度大于20 cm時(shí),地層元素測井儀器測得的計(jì)數(shù)率不會顯著增加。尺寸為Φ5 cm×24 cm和Φ7.62 cm×10.16 cm的BGO晶體探測器體積相近,但計(jì)數(shù)率相差27%。這意味著裝配尺寸為Φ5 cm×24 cm的BGO晶體探測器的地層元素測井儀器,想要獲得和裝配尺寸為Φ7.62 cm×10.16 cm BGO晶體探測器的地層元素測井儀器同等測量效果,在測井時(shí)測速需要降低27%。

5 結(jié) 論

(1)在中子屏蔽體厚度達(dá)到14 cm時(shí),屏蔽體對快中子的屏蔽率達(dá)80%以上;中子屏蔽體厚度超過14 cm時(shí),快中子屏蔽率緩慢增加。地層元素測井儀器中應(yīng)放置厚度大于14 cm的中子屏蔽體。

(2)綜合考慮源距增大對計(jì)數(shù)率、儀器縱向分辨力、干擾信號的影響,地層元素測井儀器源距應(yīng)設(shè)定為42 cm。

(3)采用Φ5 cm×20 cm的BGO晶體探測器代替Φ7.62 cm×10.16 cm的BGO晶體探測器,這樣可以將儀器直徑降低至少2.62 cm,減少工程風(fēng)險(xiǎn),但是需要降低儀器測速。