脈沖中子孔隙度測(cè)井屏蔽體的蒙特卡羅研究

于華偉，張 鋒

（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）

0 引言

在隨鉆脈沖中子孔隙度測(cè)井中，儀器屏蔽體的選擇對(duì)于測(cè)井儀器的設(shè)計(jì)是非常重要的，中子屏蔽的效果會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響[1]。如果屏蔽不好會(huì)使中子發(fā)生器發(fā)射的中子未與地層發(fā)生作用，而直接到達(dá)探測(cè)器，這會(huì)使測(cè)量的地層孔隙度誤差增大，給油氣層的評(píng)價(jià)產(chǎn)生干擾。傳統(tǒng)的中子孔隙度測(cè)井都是使用化學(xué)中子源，而化學(xué)中子源具有強(qiáng)烈的放射性，存在著運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處理等嚴(yán)重問題，為了降低儀器的使用風(fēng)險(xiǎn)，本研究中的隨鉆中子孔隙度測(cè)井是使用脈沖中子源，可選的源有D-T或D-D[2]。由于測(cè)井儀器的中子源發(fā)生了變化，因此需要對(duì)中子屏蔽體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

本文使用核物理領(lǐng)域廣泛使用的蒙特卡羅模擬程序（MCNP），分別針對(duì)隨鉆脈沖中子孔隙度測(cè)井中儀器的D-T和D-D脈沖中子源，采用分層、分能量段的方法，進(jìn)行中子屏蔽體材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為今后進(jìn)行這種新型測(cè)井儀器的研制打下基礎(chǔ)[3]。

1 原理

1.1 脈沖中子孔隙度測(cè)井原理

隨鉆脈沖中子孔隙度測(cè)井是使用中子發(fā)生器以脈沖方式釋放快中子，在相對(duì)中子源的不同距離的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上，分別放置兩個(gè)熱中子探測(cè)器（分別為近探測(cè)器和遠(yuǎn)探測(cè)器），測(cè)量經(jīng)過地層慢化并擴(kuò)散回井眼的熱中子，用近探測(cè)器計(jì)數(shù)率與遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率的比值測(cè)定地層含氫量。由于氫通常含于地層孔隙內(nèi)的液體中，所以含氫量與地層孔隙度有關(guān)，由此可計(jì)算出地層孔隙度[4]。

可以用于隨鉆脈沖中子孔隙度測(cè)井儀器的中子發(fā)生器主要有兩種： D-T或D-D中子發(fā)生器，它們釋放的中子能量分別為14 Mev、2.5 Mev[5-6]。

1.2 中子反應(yīng)

中子與物質(zhì)的相互作用主要有：彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲等。能量較高的快中子首先與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射反應(yīng),使其能量降低,然后比較傾向于彈性散射,當(dāng)中子能量降低到熱中子能區(qū)時(shí),就很容易發(fā)生輻射俘獲反應(yīng),被物質(zhì)所吸收。

中子屏蔽通常采用多層結(jié)構(gòu)，第一層一般為重金屬,本文選取鎢、鉛、銅、鐵、鎳、錫等進(jìn)行研究,它們具有較大的非彈性散射截面,可以把快中子能量迅速降至1 Mev 以下；第二層，中子與物質(zhì)主要發(fā)生彈性散射損失能量,最有效的減速材料為含氫物質(zhì)或原子量較小的物質(zhì)，常見的有聚乙烯、聚四氟乙烯、石墨、碳化硼等；經(jīng)過彈性散射之后,大多數(shù)中子能量降低到熱中子能區(qū),可以使用較薄的一層具有較大熱中子吸收截面的元素將其吸收掉,常用的元素有硼或鎘等[7-9]。表1列出了本文研究時(shí)用到的幾種屏蔽材料的物理參數(shù)。

表1 屏蔽材料的物理參數(shù)

2 計(jì)算模型

本文使用在核測(cè)井領(lǐng)域廣泛使用的蒙特卡羅模擬程序（MCNP），構(gòu)建了儀器、井眼和地層的計(jì)算模型。脈沖中子孔隙度測(cè)井儀器主要包括一個(gè)中子發(fā)生器，兩個(gè)3He中子計(jì)數(shù)管以及相應(yīng)的電路和機(jī)械部件，中子發(fā)生器與近探測(cè)器之間及近、遠(yuǎn)探測(cè)器之間都放置屏蔽體。井眼直徑為8.5in，儀器直徑為6.75in，儀器裝有探測(cè)器的一側(cè)貼近井壁，井眼中充填淡水，地層為飽含淡水的石灰?guī)r。如圖1為MCNP構(gòu)建的脈沖中子孔隙度測(cè)井模型，中子發(fā)生器與探測(cè)器之間及探測(cè)器與探測(cè)器之間都放置了屏蔽體，儀器各部件都放置在鉆鋌內(nèi)，鉆鋌中間的通道為泥漿通道。

由于本文主要研究屏蔽體的材料和結(jié)構(gòu)，所以使用抽樣技巧只讓中子發(fā)生器向探測(cè)器方向發(fā)射快中子，使用F2型計(jì)數(shù)分別對(duì)各種屏蔽材料計(jì)算屏蔽體與近探測(cè)器接觸面上的中子通量。

3 模擬與討論

由于各種屏蔽材料對(duì)不同能量中子的屏蔽效果不一樣，所以對(duì)近探測(cè)器屏蔽體采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第一層主要是將快中子能量減速到1 Mev以下，第二層結(jié)構(gòu)主要是將能量在1 Mev以下的中子減速到熱中子能區(qū)，而較薄的一層含硼或鎘的物質(zhì)就可以完全吸收掉熱中子，所以只需對(duì)屏蔽體的前兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本文針對(duì)隨鉆脈沖中子孔隙度測(cè)井儀器中使用的D-T和D-D脈沖中子源，使用蒙特卡羅模擬就不同屏蔽材料對(duì)初始能量為14 Mev、2.5 Mev和1 Mev的中子的屏蔽效果進(jìn)行研究，分析、優(yōu)選每層屏蔽結(jié)構(gòu)的材料和長(zhǎng)度。

3.1 D-T源14 Mev快中子屏蔽

分別選取表1列出的鎢、銅、鐵、鉛、錫、鎳等重金屬，以及石墨、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳化硼等輕核材料作為屏蔽體，研究它們對(duì)D-T源釋放的14 Mev快中子的減速能力。對(duì)每一種屏蔽材料設(shè)置其長(zhǎng)度從0 cm到30 cm變化，使用MCNP來記錄通過近探測(cè)器與屏蔽體接觸面的1～14 Mev中子通量，計(jì)算結(jié)果歸一化到單個(gè)粒子，結(jié)果如圖2所示。

圖1 儀器的計(jì)算模型

圖2 1～14 Mev中子通量隨屏蔽長(zhǎng)度的變化

從圖2中可以看出在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，隨著屏蔽體長(zhǎng)度的增加，快中子的平均面通量基本都呈現(xiàn)線性減少的規(guī)律。面通量數(shù)值越小，說明對(duì)快中子的減速能力越強(qiáng)。對(duì)于D-T源發(fā)射的14 Mev快中子：鎢的減速能力最強(qiáng)，增加相同的長(zhǎng)度時(shí)，快中子計(jì)數(shù)減少得最快；其次是銅、鎳、鉛、錫和鐵；而碳化硼、石墨、聚四氟乙烯、聚乙烯等輕核材料屏蔽快中子效果明顯要差于重金屬材料。

綜上分析，單純從減少中子計(jì)數(shù)的方面考慮，鎢是最理想的屏蔽材料。但是在儀器設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮儀器重量、造價(jià)等因素，由圖2可以看出12 cm的鎢和銅分別可以將98.77%和98.67%的快中子減速到1 Mev以下，所以可以選用銅或含鎢合金作為D-T源的第一層快中子減速材料。

3.2 D-D源2.5 Mev快中子屏蔽

使用上面的研究方法，針對(duì)D-D源釋放的2.5 Mev快中子，同樣使用鎢、銅、鐵、鉛、錫、鎳等重金屬，以及石墨、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳化硼等輕核材料進(jìn)行不同長(zhǎng)度屏蔽效果的研究。由于D-D源發(fā)射的中子初始能量為2.5 Mev，所以使用MCNP記錄通過近探測(cè)器與屏蔽體接觸面的1～2.5 Mev中子通量，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 1～2.5 Mev中子通量隨屏蔽長(zhǎng)度的變化

從圖3中可以看出，對(duì)于D-D源釋放的能量為2.5 Mev的快中子：鎢的減速能力最強(qiáng)，在增加相同的長(zhǎng)度下，快中子計(jì)數(shù)減少得最快；其后依次是碳化硼（B4C）、聚乙烯、鎳、銅、鐵、石墨、聚四氟乙烯、鉛以及錫?？梢姡捎贒-D源釋放的快中子能量相對(duì)較低一些，所以不僅重金屬材料對(duì)其減速能力強(qiáng)，而且輕核材料對(duì)其的減速效果也比較好，特別是碳化硼和聚乙烯這兩種材料，它們對(duì)這種能量中子的減速效果要好于銅、鐵等重金屬。

雖然，鎢是最理想的屏蔽材料，但碳化硼、聚乙烯的效果也非常好，可以作為鎢的替代材料，由圖3可以看出6 cm的鎢和碳化硼分別可以將98.12 %和97.69 %的快中子減速到1 Mev以下。綜合考慮儀器重量、造價(jià)等因素，可以選用碳化硼替代鎢作為D-D源的第一層快中子減速材料。

3.3 能量為1 Mev快中子屏蔽

由于屏蔽體的第二層結(jié)構(gòu)的作用是繼續(xù)慢化剩余的快中子、將能量為1 Mev以下的中子減速到熱中子能區(qū)。所以，針對(duì)初始能量為1 Mev的快中子，同樣使用上面用到的屏蔽材料進(jìn)行不同長(zhǎng)度屏蔽效果的研究。使用MCNP記錄通過近探測(cè)器與屏蔽體接觸面的5×10-7～1 Mev中子通量，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 5×10-7～1 Mev中子通量隨屏蔽長(zhǎng)度的變化

從圖4中可以看出，對(duì)于初始能量為1 Mev的中子：碳化硼的慢化效果最好，其次是聚乙烯、石墨；重金屬材料對(duì)于這個(gè)能量段的快中子慢化能力普遍要低于這幾種輕核材料。所以碳化硼是1 Mev以下能量段的最佳屏蔽材料，由圖4可以看出6 cm厚的碳化硼可以將98.38%的中子減速到熱中子能區(qū)。因此，6 cm厚的碳化硼既可以作為D-T也可以作為D-D源的第二層屏蔽材料。

由于屏蔽體第二層的最佳材料為碳化硼，且其中硼元素具有非常大的熱中子吸收截面（10B對(duì)熱中子的吸收截面為3837 b），所以屏蔽體的第二層結(jié)構(gòu)不僅起到了對(duì)中子減速的作用，還可以吸收掉產(chǎn)生的熱中子，因此本文不用再對(duì)熱中子的吸收進(jìn)行單獨(dú)研究。

4 結(jié)論

通過對(duì)隨鉆脈沖中子孔隙度測(cè)井儀器屏蔽結(jié)構(gòu)的綜合研究、分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）儀器分別使用D-T和D-D源時(shí)，所選用的屏蔽材料和屏蔽體厚度是不同的，并且屏蔽體最好是兩層結(jié)構(gòu)；

（2）當(dāng)儀器使用D-T源時(shí)，最理想的屏蔽體結(jié)構(gòu)為第一層選12 cm的鎢、第二層選6 cm碳化硼，其中第一層可以選用銅作為鎢的替代材料；

（3）當(dāng)儀器使用D-D源時(shí)，最理想的屏蔽體結(jié)構(gòu)為第一層選6 cm的鎢、第二層選6 cm碳化硼，其中第一層也可以選用碳化硼作為鎢的替代材料；

（4）當(dāng)屏蔽體第二層結(jié)構(gòu)選用碳化硼時(shí)，可以很好的起到吸收熱中子的作用，不用再專門設(shè)置熱中子屏蔽層。

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