程亮，吳文圣 （油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學(xué) （北京）），北京 102249）

何景枝 （安徽省勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230031）

脈沖中子密度測井中的γ場和中子場特性

程亮，吳文圣 （油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學(xué) （北京）），北京 102249）

何景枝 （安徽省勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230031）

中子場和γ場特性直接或間接影響脈沖中子密度的測量精度。應(yīng)用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法，計算了一個脈沖周期內(nèi)，中子場和γ場的時間特性、空間特性和在地層中的衰減特性。由此得出，總中子時間譜和總γ時間譜均為方波，強(qiáng)度在中子脈沖停止后瞬間達(dá)到最大；非彈性γ強(qiáng)度在中子脈沖期間較為穩(wěn)定?？熘凶訄?、非彈性γ場在脈沖期間以中子源為中心呈球狀分布；脈沖停止后，強(qiáng)度峰值分布在以源為中點的圓環(huán)上。熱中子場的強(qiáng)度峰值總是分布在以中子源為中點的圓環(huán)上?？熘凶訄鲈诮橘|(zhì)相同時，孔隙度越大，衰減越快 （氣層除外）；孔隙度相同時，介質(zhì)的原子密度和含氫量越大，衰減越快；非彈性γ場的衰減受地層密度和孔隙度雙重影響。

脈沖中子密度測井；中子場；γ場；蒙特卡洛模擬

脈沖中子密度測井方法的原理是以脈沖中子源在中子脈沖發(fā)射期間產(chǎn)生的非彈性散射γ射線作為密度測井的γ源，非彈性散射γ射線在擴(kuò)散過程中與地層產(chǎn)生以康普頓效應(yīng)為主的核反應(yīng)，由探測器記錄經(jīng)過康普頓效應(yīng)的γ射線來求取地層密度［1～7］。

與現(xiàn)有的γ源密度測井比較，脈沖中子密度測井有如下優(yōu)勢：①源可控，對人和環(huán)境傷害?。虎诳梢栽诼阊劬袦y量，也可以為沒有裸眼井密度測井資料的套管井提供地層密度值；③幾乎不受地層泥質(zhì)含量或孔隙中天然氣的影響。該測井方法在20世紀(jì)90年代后期已投入商業(yè)應(yīng)用，國內(nèi)在該方面的研究起步較晚。

在脈沖中子密度測井中，當(dāng)快中子進(jìn)入地層后，在中子源周圍將出現(xiàn)快中子場、熱中子場、非彈性散射γ場和俘獲γ場［8］，這些中子場和γ場均直接或間接影響地層密度的求取，因此，有必要開展中子場和γ場特性的研究。筆者以蒙特卡洛數(shù)值計算為基礎(chǔ)［9，10］，研究相關(guān)中子場與γ場的時間、空間和衰減特性。

1 計算模型

計算模型設(shè)為圓柱體狀［11］，高120cm，井眼半徑為10cm，地層半徑為70cm，為均質(zhì)地層，巖性為砂巖，水泥環(huán)厚度30mm，套管為鋼，厚7mm，井內(nèi)介質(zhì)為水?？紫抖群涂紫秲?nèi)介質(zhì)隨研究問題的不同而改變。脈沖密度測井儀器在套管井內(nèi)居中放置，儀器外殼為鋼，厚度2mm。脈沖中子源各向同性地發(fā)射能量為14.1MeV的中子，脈沖寬度為40μs，一個周期為100μs。探測器的源距可改變，探測器和中子源之間充滿理想屏蔽體。

2 中子場和γ場的時間特性

圖1顯示的是100μs時間內(nèi)總中子時間譜 （脈沖寬度為40μs），可以看出，在中子脈沖40μs內(nèi)，總中子時間譜為一方波；總中子強(qiáng)度隨時間的增大而增大，這主要是由于熱中子數(shù)量增加造成的；當(dāng)中子脈沖停止后，總中子強(qiáng)度在延時大約0.5μs后回落，這是由于中子源停止發(fā)射后，快中子減速到熱中子需要一定的時間。上述中子總數(shù)時間分布的滯后性，在設(shè)計測量時間序列時應(yīng)加以考慮。

圖2顯示的是100μs時間內(nèi)熱中子時間譜 （脈沖寬度為40μs），可以看出，在中子脈沖發(fā)射約1μs后，開始產(chǎn)生熱中子，且數(shù)量迅速增加，7μs后增速變緩，中子脈沖停止后約0.5μs內(nèi)達(dá)到最大值；其后，熱中子數(shù)量將按照指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的速度取決于地層的熱中子俘獲能力。

綜合圖1與圖2可見，當(dāng)脈沖發(fā)射停止后，地層中的中子數(shù)量主要是熱中子，即使是在中子持續(xù)發(fā)射的40μs時間內(nèi)，熱中子在中子總數(shù)中的比例也是不可忽視的。

圖1 脈沖寬度為40μs的總中子時間譜 圖2 脈沖寬度為40μs的熱中子時間譜

圖3是100μs時間內(nèi)的總γ時間譜和非彈性散射γ時間譜 （脈沖寬度為40μs），可以看出，在中子脈沖發(fā)射期間，非彈性散射γ強(qiáng)度較為穩(wěn)定，這也是能把其看作密度測井的γ源的原因之一。非彈性散射γ在中子脈沖停止發(fā)射約0.5μs時間后迅速衰減，總γ強(qiáng)度在中子脈沖期間隨時間的增加而逐漸增加，這說明熱中子俘獲γ強(qiáng)度在中子發(fā)射期間隨著時間的增加而增加。中子停止發(fā)射后，γ射線隨著時間的衰減主要是俘獲γ射線的衰減。

根據(jù)上面對中子和γ時間譜的特征分析可以看出，對于一個脈沖周期，應(yīng)選擇在脈沖期間即0～40μs測量非彈性散射γ，在50μs以后的時間測量俘獲γ。

圖3 脈沖寬度為40μs的總γ時間譜和非彈性散射γ時間譜

3 中子場和γ場的的空間特性

計算時，設(shè)脈沖中子源的中點位于 （0，0，60）處。

3.1 快中子場的空間分布

圖4顯示的是快中子場在地層空間的分布，可以看出，脈沖發(fā)射期間，在半橫截面地層中，快中子場強(qiáng)度最大點位于中子源點，快中子場以中子源為中心呈半圓形分布，此時，在整個地層空間中，快中子場以中子源為中心呈球狀分布。在脈沖發(fā)射停止后的瞬間內(nèi)，快中子場強(qiáng)度減弱，強(qiáng)度的中心偏離中子源，此時，在整個地層空間中，快中子場的強(qiáng)度峰值點分布在以中子源為中點，半徑約為7cm的圓環(huán)上，該圓環(huán)面垂直于儀器軸。這是因為中子脈沖停止后，快中子減速到熱中子需要一定的時間。

圖4 快中子場的空間分布

3.2 非彈性散射γ場空間分布

非彈性散射γ場在地層空間的分布如圖5所示，可以看出，在中子脈沖期間，在半橫截面地層中，非彈性散射γ場近似以中子源為中心呈半圓形分布，在整個地層空間，非彈性散射γ場將圍繞中子源呈近似球狀分布。中子源附近的非彈性散射γ場強(qiáng)度最大，隨著在地層縱向和徑向上的延伸，強(qiáng)度逐漸減小。在脈沖發(fā)射停止后的瞬間內(nèi)，非彈性散射γ場強(qiáng)度峰值偏離中子源點，在整個地層空間內(nèi)，非彈性γ場的強(qiáng)度峰值點分布在以中子源為中點，垂直于儀器軸，半徑約為7cm的圓環(huán)上。從圖5可以看出，非彈性散射γ在地層中的穿透能力不強(qiáng)，這也決定了脈沖中子密度測井的徑向探測深度有限。

圖5 非彈性散射γ場的空間分布

3.3 熱中子場空間分布

圖6是熱中子場的空間分布圖。熱中子場的分布具有以下特點：熱中子場的強(qiáng)度峰值偏離中子源點，分布在以中子源為中點，垂直于儀器軸的圓環(huán)上；脈沖期間，熱中子強(qiáng)度逐漸增大，在中子脈沖停止發(fā)射瞬間強(qiáng)度最大，其后強(qiáng)度逐漸衰減變小；與快中子場或非彈性γ場比較，熱中子場隨距離衰減的速度更快。

圖6 熱中子場的空間分布

4 快中子場和非彈性散射γ場的衰減特性

由于超熱中子、熱中子、俘獲γ在地層中的衰減特性在文獻(xiàn) ［9］中已有結(jié)論，筆者主要對快中子場和非彈性散射γ場的衰減特性展開研究。

4.1 不同飽和度水時的衰減特性

計算時，設(shè)地層的孔隙度分別為0%、15%、30%和45%，孔隙中充滿水，探測器源距L從10cm一直增加到90cm。

圖7顯示的是快中子通量隨源距L的變化，可以看出，在半對數(shù)坐標(biāo)上，隨著源距的增大，快中子通量呈線性降低；地層孔隙度越大，快中子通量降低幅度越大，說明孔隙度越大，快中子通量衰減速度越快。這是因為當(dāng)孔隙中只含水時，孔隙度越大，含氫量越高，地層中子減速能力越強(qiáng)。

圖8顯示的是非彈性散射γ通量隨源距L的變化，可以看出，在半對數(shù)坐標(biāo)上，隨著源距的增大，非彈性散射γ通量呈線性降低；孔隙度越大，體積密度越小，非彈性散射γ通量衰減越慢，反之越快。這符合普通吸收方程形式，是利用非彈性散射γ求取地層密度的基礎(chǔ)。但是，孔隙度越大，地層含氫量越高，快中子衰減越快，由快中子貢獻(xiàn)的非彈性γ數(shù)量減少越快，也即非彈性γ通量衰減較快。地層密度、孔隙度對非彈性γ通量的正、反作用使其在不同地層衰減差別較小，衰減曲線間間隔較小，識別地層密度的靈敏度較低。隨著探測器源距的增加，孔隙度或中子遷移影響逐漸減小，地層密度的影響逐漸增加。

圖7 不同孔隙度地層快中子通量與源距的關(guān)系 圖8 不同孔隙度地層非彈性γ通量與源距的關(guān)系

圖9為相同孔隙度和孔隙介質(zhì)條件下非彈性γ通量和快中子通量沿井眼分布情況的對比，可以看出，快中子通量比非彈性γ通量衰減的要快。該規(guī)律是固有的，因為中子源性質(zhì)是固定的，非彈性γ的有效源是動態(tài)的，探測器接收到的γ射線可以看作是不同軸向地層貢獻(xiàn)的總和，探測器附近γ射線隨源距的增大而減少，與快中子通量隨源距減少相關(guān)。

4.2 不同孔隙介質(zhì)時的衰減特性

圖9 快中子通量和非彈性γ通量衰減對比

源距處的非彈性γ通量，包含兩方面信息：一是與飽含水層和油層的純砂巖地層比較，飽含氣層的非彈性γ通量衰減較慢，即密度小的地層，非彈性γ通量衰減慢，說明非彈性γ通量衰減中含有地層密度信息；二是在一定源距范圍內(nèi)，與純砂巖地層比較，飽含油和水層的非彈性γ通量衰減快，說明非彈性γ通量衰減受中子遷移影響。

圖10是4種不同地層條件不同源距處的快中子通量，可以看出，在源距L一定時，與純砂巖地層相比，飽含氣地層的快中子通量增加，飽含油和水地層的快中子通量降低，且源距越大差別越明顯，這說明隨著原子密度和含氫量的增加，快中子衰減加快。圖11顯示了4種不同地層條件下不同

5 結(jié)論

1）在中子脈沖期間，總中子時間譜為方波，因熱中子數(shù)量增加，強(qiáng)度逐漸增加，在中子脈沖停止后瞬間達(dá)到最大值；總γ時間譜也為方波，因俘獲γ數(shù)量增加，強(qiáng)度逐漸增加，在中子脈沖停止后瞬間達(dá)到最大值；非彈性散射γ強(qiáng)度在中子脈沖期間較為穩(wěn)定；中子時間譜和γ時間譜均存在時間分布上的滯后性。

2）中子脈沖期間，快中子場、非彈性散射γ場均圍繞中子源呈球狀分布，強(qiáng)度峰值在中子源點處；脈沖停止后，強(qiáng)度峰值偏離中子源點，分布在以中子源為中點，垂直于儀器軸的半徑不等的圓環(huán)上。熱中子場強(qiáng)度峰值在中子脈沖期間或脈沖后均分布在以中子源為中點，垂直于儀器軸的圓環(huán)上。

3）當(dāng)孔隙介質(zhì)相同時，快中子場在地層中呈指數(shù)規(guī)律衰減，孔隙度越大，衰減越快 （氣層除外）；非彈性γ場也呈指數(shù)規(guī)律衰減，但衰減受地層密度和孔隙度影響。當(dāng)孔隙介質(zhì)不同時，原子密度和含氫量大的地層，快中子場衰減快；由于受地層密度和孔隙度影響，非彈性γ場衰減規(guī)律復(fù)雜。

圖10 不同孔隙介質(zhì)地層快中子通量的衰減 圖11 不同孔隙介質(zhì)地層非彈性γ通量的衰減

4）由于非彈性散射γ場的衰減受中子場的影響，因此利用非彈性散射γ求取地層密度時，需要對中子場的影響進(jìn)行校正。

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［編輯］ 龔丹

The Characteristics of Gamm a Fields and Neutron Fields in Pu lsed Neutron Density Logging

CHENG Liang，WUW ensheng，HE Jingzhi (First Author's Address:State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The characteristics of gamma fields and neutron fields would directly or indirectly influence themeasurement preci-sion of pulsed neutron density.With Monte Carlo numerical simulation，the time characteristics，space distribution characteristics and attenuation characteristics for gamma fields and neutron fields were calculated in a pulsed period.Calculated results showed that total neutron time spectrums and total gamma time spectrums were all square waves，their intensities reached the maximum level at themoment of neutron pulse disappearing;inelastic gamma intensity was very steady in neutron pulse period.The fast neutron filed and inelastic gamma field presented spherical distribution.After the neutron pulse was ceased，their intensity apexeswere distributed over a circle centering on source point.The intensive apexes of thermal neutron field are always distributed over a circle centering on source point;for the fast neutron field，when the porousmedia are the same except gas，the larger the porosity is，the faster the attenuation velocity is.When the porosity is invariable，the higher theatomic density and hydrogen bearing capacity are，the faster the attenuation velocitywould be;the attenuation of inelastic gamma field is influenced by formation density and porosity.

pulsed neutron density logging;neutron field;gamma field;Monte Carlo simulation

P631.84

A

1000-9752（2014）05-0077-06