涂硼MRPC熱中子探測(cè)器用于補(bǔ)償中子測(cè)井的蒙特卡羅研究

賈文寶 曾 捷 單 卿 凌永生 黑大千 張 焱 魏勇紅

（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210016）

涂硼MRPC熱中子探測(cè)器用于補(bǔ)償中子測(cè)井的蒙特卡羅研究

賈文寶 曾 捷 單 卿 凌永生 黑大千 張 焱 魏勇紅

（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210016）

本文利用蒙特卡羅方法模擬了涂硼多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)熱中子探測(cè)器和3He正比計(jì)數(shù)管在常規(guī)條件和欠平衡條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井中的響應(yīng)。模擬結(jié)果表明，使用涂硼MRPC熱中子探測(cè)器時(shí)，得到近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)隨孔隙度而增加，且與使用3He正比計(jì)數(shù)管時(shí)得到的結(jié)果基本一致，說明涂硼MRPC熱中子探測(cè)器可用于補(bǔ)償中子測(cè)井。

蒙特卡羅方法，補(bǔ)償中子測(cè)井，涂硼多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)熱中子探測(cè)器

隨著石油的開采，石油儲(chǔ)量大幅減少，開采難度大的低壓力、低滲透率的地層越來(lái)越被重視，為了提高油井石油產(chǎn)能，更好保護(hù)低壓油氣層，欠平衡鉆井技術(shù)得到了大量的應(yīng)用[1]，目前低密度欠平衡鉆井液主要有充氣鉆井液、氣體鉆井液、泡沫鉆井液和乳化鉆井液等[2]，在此條件下的鉆井中大量使用了中子補(bǔ)償測(cè)井技術(shù)[3-4]。中子補(bǔ)償測(cè)井技術(shù)在鉆井中的應(yīng)用主要通過補(bǔ)償中子測(cè)井儀對(duì)地層的探測(cè)響應(yīng)來(lái)獲得相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)地層的儲(chǔ)量情況。目前，補(bǔ)償中子測(cè)井儀中使用的熱中子探測(cè)器主要是3He正比計(jì)數(shù)管，但由于美俄對(duì)商業(yè)3He的限量供應(yīng)[5]，3He氣體大量減少，3He正比計(jì)數(shù)管的價(jià)格飆升很快，使得中子補(bǔ)償測(cè)井技術(shù)的性價(jià)比大大變低。為減少3He正比計(jì)數(shù)管數(shù)量及價(jià)格對(duì)補(bǔ)償中子測(cè)井的影響，我們擬尋找一種新型熱中子探測(cè)器來(lái)代替3He正比計(jì)數(shù)管作為補(bǔ)償中子測(cè)井技術(shù)中的熱中子探測(cè)器，從而提高測(cè)井技術(shù)的性價(jià)比。

多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)研制于1995年[6]，具有探測(cè)效率高、抗輻照性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，我們擬在內(nèi)層玻璃涂上熱中子轉(zhuǎn)換體（碳化硼），研制出一種新型的熱中子探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本文通過蒙特卡羅方法模擬了在常規(guī)條件和欠平衡條件下，補(bǔ)償中子測(cè)井中的涂硼MRPC熱中子探測(cè)器的響應(yīng)并與3He正比計(jì)數(shù)管的響應(yīng)進(jìn)行比較，研究其是否如3He正比計(jì)數(shù)管一樣可用于補(bǔ)償中子測(cè)井中。

圖1 涂硼MRPC熱中子探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the boron-coated MRPC thermal neutron detector.

1 常規(guī)條件及欠平衡條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井

1.1補(bǔ)償中子測(cè)井原理

補(bǔ)償中子測(cè)井是利用中子源在井眼中向地層發(fā)射快中子，通過記錄在離源距離不同的兩個(gè)熱中子探測(cè)器的計(jì)數(shù)率比來(lái)確定地層孔隙度，從而獲得地層含氫量的信息，最終得到地層含油量解釋的一種應(yīng)用范圍較廣的石油測(cè)井方法。

1.2常規(guī)條件及欠平衡條件下補(bǔ)償中子測(cè)井

在常規(guī)測(cè)井條件下，井眼中充滿了液體，而液體中含有大量的能夠?qū)熘凶舆M(jìn)行減速、慢化的氫元素，因此在這種地層條件下，快中子在井眼中快速衰減，探測(cè)器探測(cè)到的熱中子絕大部分是地層的貢獻(xiàn)、井眼的貢獻(xiàn)比較少。而在欠平衡條件下，井眼液不完全是液體而是帶有一定的氣體，相對(duì)于常規(guī)測(cè)井條件，此時(shí)井眼中能使快中子慢化的物質(zhì)將會(huì)減少，探測(cè)器得到的計(jì)數(shù)結(jié)果主要是快中子直接被井眼熱化的熱中子，而來(lái)自地層的熱中子只占較小的一部分。因此在采用補(bǔ)償中子測(cè)井技術(shù)，使用兩個(gè)探測(cè)器計(jì)數(shù)的比值來(lái)計(jì)算孔隙度，可以在很大程度上彌補(bǔ)了地層吸收性質(zhì)、套管、水泥環(huán)及井眼液對(duì)孔隙度的影響，同時(shí)也提高了此項(xiàng)測(cè)井技術(shù)的準(zhǔn)確度。即使這樣，在欠平衡條件下補(bǔ)償中子測(cè)井的準(zhǔn)確性也要比常規(guī)條件下的測(cè)井差，但可以通過刻度來(lái)提高測(cè)井的準(zhǔn)確性[7-8]。

2 Geant4[9]計(jì)算模型

利用Geant4程序進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型如圖2所示。井眼半徑為10 cm，里面充滿水或氣體。地層為內(nèi)外半徑分別為10 cm和70 cm、高為140 cm的圓筒狀幾何模型，地層骨架為灰?guī)r或砂巖，空隙里面充滿水或者石油。屏蔽體為理想屏蔽體，水泥環(huán)的厚度為3 cm，套管厚度為0.3 cm。探測(cè)器為3He正比計(jì)數(shù)管或者涂硼MRPC，3He正比計(jì)數(shù)管大小為3 cm×20 cm，涂硼MRPC大小為3 cm ×2.5 cm×20 cm。源為4π空間均勻發(fā)射的、能量為14 MeV的中子源。每次模擬時(shí)抽樣5×107個(gè)中子。

圖2 補(bǔ)償中子測(cè)井的模擬模型Fig.2 Sketch of compensated neutron logging in the simulation.

3 常規(guī)條件和欠平衡條件下的模擬結(jié)果

模擬中通過這兩種探測(cè)器在兩種條件下的測(cè)井響應(yīng)，比較它們的響應(yīng)曲線，研究涂硼MRPC熱中子探測(cè)器能否在補(bǔ)償中子測(cè)井中有較好的應(yīng)用，對(duì)于兩種不同條件下使用涂硼MRPC熱中子探測(cè)器時(shí)各種環(huán)境對(duì)測(cè)井的影響不作進(jìn)一步研究。

3.1常規(guī)條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井模擬

根據(jù)圖2的模型，模擬井眼中飽含淡水，孔隙度變化依次為5%、10%、20%、30%、40%、50%的情況下，得到短源距和長(zhǎng)源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)之比(SS/LS)與孔隙度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同介質(zhì)SS/LS與孔隙度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the porosity and SS/LS with different formation matrix in conventional conditions.■ Limestone boron-coated MRPC,● Limestone helium-3 proportional counter,▲ Sandston boron-coated MRPC,▼ Sandston helium-3 proportional counter

由圖3，在地層是砂巖或是灰?guī)r且為同一孔隙度時(shí)，在補(bǔ)償測(cè)井中使用涂硼MRPC熱中子探測(cè)器時(shí)得到近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)隨孔隙度而增加，且與使用3He正比計(jì)數(shù)管時(shí)得到的結(jié)果基本一致。這表明涂硼MRPC和3He正比計(jì)數(shù)管一樣，能夠很好在補(bǔ)償中子測(cè)井中使用?？紫抖仍黾樱h(yuǎn)探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)比增加，這是由于隨著孔隙度增加，地層快中子減速加強(qiáng)，遠(yuǎn)探測(cè)器的周圍熱中子通量密度比近探測(cè)器下降得快。

3.2欠平衡條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井模擬

利用上面的模擬模型，模擬在地層為灰?guī)r，孔隙度依次為5%、10%、20%、30%、40%、50%，井眼物質(zhì)為淡水和含氮?dú)?0%、40%、60%的淡水的情況下，得到SS/LS與孔隙度的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在欠平衡條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井中，使用涂硼MRPC熱中子探測(cè)器得到的SS/LS與使用3He正比計(jì)數(shù)管的基本一致，二者的變化趨勢(shì)一樣，隨孔隙度增加。因此用涂硼MRPC熱中子探測(cè)器作為欠平衡條件下補(bǔ)償中子測(cè)井的探測(cè)器是可行的，并且效果與3He正比計(jì)數(shù)管接近。同時(shí)也可以看出，使用這兩種探測(cè)器在此條件下測(cè)井時(shí)，由于井眼中含有一定的氣體時(shí)，近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)比與井眼只含淡水相比有一定的下降，并且氣體的比例越高，近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)比越小，這將導(dǎo)致計(jì)算的空隙度降低。這是因?yàn)榈泻瑲淞勘葰怏w高，對(duì)快中子的減速能力強(qiáng)，使探測(cè)器探測(cè)的熱中子主要是從井筒而非地層中傳遞過來(lái)的。

圖4 不同井眼物質(zhì)SS/LS與孔隙度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the porosity and SS/LS withdifferent material in underbalanced conditions.■ Boron-coated MRPC, fresh water,● Helium-3 proportional counter, fresh water,▲ Boron-coated MRPC, 20%,▼ Helium-3 proportional counter, 20%,◆ Boron-coated MRPC, 40%,Helium-3 proportional counter, 40%,? Boron-coated MRPC, 60%,Helium-3 proportional counter, 60%

4 結(jié)語(yǔ)

通過模擬結(jié)果可以看出：

(1) 在常規(guī)條件下，對(duì)于不同的地層介質(zhì)，涂硼MRPC熱中子探測(cè)器可以和3He正比計(jì)數(shù)管一樣，在補(bǔ)償中子測(cè)井中取得比較好的效果。

(2) 在欠平衡條件下，在補(bǔ)償中子測(cè)井技術(shù)中使用涂硼MRPC熱中子探測(cè)器作為探測(cè)器是可行的。雖然在欠平衡條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井中，使用此探測(cè)器和3He正比計(jì)數(shù)管得到的近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)比與孔隙度的敏感性與液體介質(zhì)有關(guān)，且氣體成分越多，測(cè)井效果越差，但是兩種探測(cè)器得到的近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)比幾乎一致，因此若通過一定的修正，使用涂硼MRPC作為熱中子探測(cè)器，測(cè)井的準(zhǔn)確性也會(huì)很高。

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2 屈平, 申瑞臣. 充氣鉆井液的影響因素分析[J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(1): 82-84

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3 王紅濤, 張占松, 陳子善. 空氣鉆井補(bǔ)償中子測(cè)井響應(yīng)的蒙特卡羅模擬及應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2011, 33(6): 228-231

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WU Wensheng, XIAO Lizhi, ZHANG Longhai. Response characteristics of the neutron and density log in under balanced and super balance logging[J]. Science China Earth Sciences, 2008, 38(Suppl 1): 180-185

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CLCTL816+.3

Monte Carlo simulation on the application of boron-coated MRPC thermal neutron detector to the compensated neutron logging

JIA Wenbao ZENG Jie SHAN Qing LING Yongsheng HEI Daqian ZHANG Yan WEI Yonghong
(College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Background:The compensated neutron logging technology is widely used in oil exploration and development. The neutron detector commonly used in this technology is the helium-3 proportional counter. Due to the decreasing in supply of the helium-3 gas, the price of the helium-3 proportional counter rises quickly. Purpose: The aim is to develop a new type of neutron detector to replace the helium-3 tubes in the compensated neutron logging technology. Methods: A new thermal neutron detector coated with a layer of thermal neutron convertor in the inner glass of the Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) was developed. Under the conventional and underbalanced conditions, Monte Carlo method was used to simulate the response of the boron-coated MRPC thermal neutron detector and helium-3 proportional counter employed in compensated neutron logging technology. Results: It is shown that the SS/LS increases with the rise of porosity using either the boron-coated MRPC thermal neutron detector or the helium-3 proportional counter, and the results of these two detectors are basically identical. Conclusion: It indicates that the boron-coated MRPC thermal neutron detector can be used for compensated neutron logging.

Monte Carlo method, Compensated neutron logging, Boron-coated Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) thermal neutron detector

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060201

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(No.NS2012055)資助

賈文寶，男，1968年出生，1999年于蘭州大學(xué)獲博士學(xué)位，核技術(shù)及應(yīng)用研究

2013-10-21，

2013-12-12