徐琳

(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

地層元素測(cè)井儀器測(cè)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(cè)井儀器(ECS)[1],2015年推出脈沖中子源地層元素測(cè)井儀器(Litho_Scanner);哈里伯頓公司2009年推出化學(xué)源地層元素測(cè)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(cè)井儀器(FLeX)[3]。中國石油天然氣集團(tuán)測(cè)井有限公司2013年研發(fā)了地層元素測(cè)井儀器(FEM)。

為了安全、健康、環(huán)保,各大測(cè)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(cè)井發(fā)展的趨勢(shì)[5]。本文利用脈沖中子地層元素測(cè)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(duì)儀器響應(yīng)的影響[6-7],綜合比對(duì)分析,得出最優(yōu)化的地層元素測(cè)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(cè)井儀器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),建立地層元素測(cè)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(cè)器之間;探測(cè)器為鍺酸鉍(Bi4Ge3O12,簡(jiǎn)稱BGO)晶體探測(cè)器,晶體探測(cè)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(cè)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(cè)器則可以探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)井儀器測(cè)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(huì)逐漸降低,但是降低幅度有限,對(duì)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量不會(huì)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(cè)井儀器模擬曲線

地層元素測(cè)井儀器測(cè)量時(shí),在模型中放置中子探測(cè)器,探測(cè)中子屏蔽體對(duì)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(duì)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(cè)井儀器測(cè)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(cè)量規(guī)律。由圖4可見,計(jì)數(shù)率隨源距的增大逐級(jí)降低,當(dāng)源距為46、50、54 cm時(shí),曲線特征峰變得平滑,波動(dòng)性變小。

圖4 不同源距條件下地層元素測(cè)井儀器模擬曲線

3.2 源距和噪音信號(hào)之間的關(guān)系

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

模擬源距為30、34、38、42、46、50、54 cm時(shí)地層元素測(cè)井儀器在孔隙度為50%的完全含水砂巖中的測(cè)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(huì)減少,測(cè)量到的曲線形態(tài)會(huì)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(cè)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(cè)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(cè)井儀器測(cè)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(cè)井儀器軸向25～50 cm區(qū)間模擬曲線

地層元素測(cè)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(cè)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(cè)井儀器縱向分辨率最好;源距為34、38、42 cm時(shí),地層元素測(cè)井儀器縱向分辨率中等;源距為46、50、54 cm時(shí),地層元素測(cè)井儀器縱向分辨率較差。

通過源距和噪音信號(hào)之間的關(guān)系可以看出源距增大會(huì)減少噪音信號(hào)。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(huì)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(hào)。

4 晶體探測(cè)器尺寸和儀器響應(yīng)的關(guān)系

地層元素測(cè)井儀器晶體探測(cè)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(duì)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(cè)器測(cè)量曲線,對(duì)比分析最優(yōu)探測(cè)器晶體探測(cè)器尺寸。

通常地層元素測(cè)井儀器BGO晶體探測(cè)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(cè)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(cè)器直徑及增大BGO晶體探測(cè)器高度,獲得同等或相近的測(cè)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(cè)器,地層元素測(cè)井儀器測(cè)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(cè)器,地層元素測(cè)井儀器測(cè)得的計(jì)數(shù)率越高。

圖7 放置不同尺寸BGO晶體探測(cè)器的地層元素測(cè)井儀器模擬曲線

晶體探測(cè)器的體積增大會(huì)增加測(cè)得的計(jì)數(shù)率,根據(jù)圓柱體體積公式,晶體探測(cè)器的直徑增大對(duì)晶體探測(cè)器的體積增大按指數(shù)性增加,高度增加對(duì)晶體探測(cè)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(cè)器,在晶體探測(cè)器高度大于20 cm時(shí),地層元素測(cè)井儀器測(cè)得的計(jì)數(shù)率不會(huì)顯著增加。尺寸為Φ5 cm×24 cm和Φ7.62 cm×10.16 cm的BGO晶體探測(cè)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(cè)器的地層元素測(cè)井儀器,想要獲得和裝配尺寸為Φ7.62 cm×10.16 cm BGO晶體探測(cè)器的地層元素測(cè)井儀器同等測(cè)量效果,在測(cè)井時(shí)測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)計(jì)數(shù)率、儀器縱向分辨力、干擾信號(hào)的影響,地層元素測(cè)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(cè)器代替Φ7.62 cm×10.16 cm的BGO晶體探測(cè)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(cè)速。