可控源中子儀器鉆鋌結(jié)構(gòu)對測量影響的數(shù)值模擬研究

駱慶鋒 范宇翔梁羽佳 劉容華郭廣鎏

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心 陜西 西安 710054)

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·開發(fā)設(shè)計·

可控源中子儀器鉆鋌結(jié)構(gòu)對測量影響的數(shù)值模擬研究

駱慶鋒1,2范宇翔1,2梁羽佳2劉容華1,2郭廣鎏1,2

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心 陜西 西安 710054)

可控源中子孔隙度隨鉆測井儀設(shè)計之初中子發(fā)生器、中子探測器在其自有鉆鋌上有兩種安裝方式，分別是放置在鉆鋌水眼內(nèi)和偏心放置在鉆鋌一側(cè)。由于中子發(fā)生器、中子探測器所處的位置不同，其周圍存在的流體和鉆鋌屏蔽效果存在差異，從而引起中子計數(shù)率、測量靈敏度和孔隙度差別。通過建立儀器模型，運用MC(蒙特卡洛)數(shù)值模擬方法，計算了不同結(jié)構(gòu)下儀器的測量結(jié)果，為高靈敏度可控源孔隙度測量裝置的機械設(shè)計提供了理論依據(jù)。

隨鉆測井；可控源中子孔隙度；MC數(shù)值模擬；計數(shù)率；靈敏度

0 引 言

可控源中子孔隙度隨鉆測井是一種通過測量高能中子在地層中能量和強度的變化，從而獲得鉆遇地層孔隙度參數(shù)的測量方法。在設(shè)計該測量工具之初，研究不同機械布局對測量結(jié)果造成的影響，不僅可以為測量工具的機械設(shè)計提供指導(dǎo)，而且還可以為測量結(jié)果的校正提供依據(jù)。研究機械布局對可控源中子孔隙度測井儀測井結(jié)果的影響，需要從中子孔隙度測量機理入手。本文通過MC數(shù)值模擬手段，重點討論了中子發(fā)生器、中子探測器在鉆鋌水眼內(nèi)以及側(cè)壁安裝時對中子計數(shù)率、測量靈敏度和孔隙度的影響，并在該數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上完成了可控源中子孔隙度隨鉆測井儀的研制。

1 可控源中子孔隙度測量基本原理

由于中子與原子核間的無規(guī)則碰撞，中子在介質(zhì)內(nèi)的運動是一種雜亂無章的具有統(tǒng)計性質(zhì)的運動，即初始在地層內(nèi)某一位置具有某種能量及某一運動方向的中子，在稍晚些時候，將運動到地層內(nèi)的另一位置以另一能量和另一運動方向出現(xiàn)。這一現(xiàn)象稱之為中子在介質(zhì)內(nèi)的輸運過程[1]。

中子在地層中運動，遇到原子核發(fā)生散射或吸收，散射時不僅損失能量，還會改變方向。在一定體積內(nèi)，中子密度n隨時間的變化率，等于它的產(chǎn)生率減去泄漏率和吸收率，即:

(1)

同位素中子源周圍的中子通量分布，只限于定態(tài)問題，即中子密度n隨時間的變化率為零。因而有：

產(chǎn)生率-泄漏率-吸收率=0

(2)

由于中子密度n是距離、速度和方向的函數(shù)，描述中子輸運過程的精確方程叫做玻爾茲曼輸運方程，即：

(3)

則定態(tài)方程為：

(4)

熱中子密度、通量和計數(shù)率成正比，所以其分布形式是相同的[2 、3]。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

用遷移方程解決粒子輸運問題著眼于中子的群體運動，而不涉及每一個中子的具體運動細(xì)節(jié)。MC數(shù)值模擬方法與遷移方程不同之處是它著眼于跟蹤單個粒子的運動全過程—從它產(chǎn)生一直到死亡或永遠(yuǎn)離開系統(tǒng)，然后統(tǒng)計大量粒子的行為，得出我們欲求的解答。

用MC數(shù)值模擬方法模擬的實質(zhì)是：把粒子與原子核相互作用的概率分布應(yīng)用到隨機抽樣上，通過對大量粒子的跟蹤，直到跟蹤的粒子數(shù)目達(dá)到足以對某個探測區(qū)域內(nèi)粒子宏觀碰撞行為作出結(jié)論時為止?？梢哉f，MC數(shù)值模擬方法就是一種數(shù)學(xué)實驗方法，它以物理實驗方法測量到的粒子與物質(zhì)相互作用的物理規(guī)律(如截面等)為基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬[4]。

3 偏心和居中條件下的可控源中子孔隙度測井

3.1 儀器模型的建立

假定鉆鋌直徑為6.75 in(1in=25.4 mm)，鉆頭直徑為8.5 in，孔隙度測井儀器直徑為40 mm，外殼壁厚5 mm，分別鑲嵌在鉆鋌水眼內(nèi)和側(cè)壁，其中在側(cè)壁開槽時探測器外側(cè)包有鈹青銅等材料，儀器與鉆鋌之間有減震材料，厚度都為5 mm。偏心時泥漿導(dǎo)流通道直徑分別為50 mm和70 mm，儀器放在泥漿導(dǎo)流通道時包括居中和貼下部放置，泥漿導(dǎo)流通道直徑為70 mm。模擬地層半徑為10.795 cm ～80 cm，高為150 cm，兩種計算模型如圖1、圖2所示。改變地層孔隙度，使其從0～40 p.u。

圖1 偏心模型

圖2 居中模型

3.2 熱中子計數(shù)的影響

在上述四種條件下，記錄源距為22.5 cm和50 cm處的熱中子，得到相應(yīng)的熱中子計數(shù)與孔隙度的關(guān)系，如圖3所示。

遠(yuǎn)近探測器處的熱中子計數(shù)隨孔隙度的變化趨勢與儀器在鉆鋌上的位置及泥漿導(dǎo)流通道尺寸有關(guān)。當(dāng)儀器處于鉆鋌中央直徑為70 mm的泥漿導(dǎo)流通道時，居中時近探測器的熱中子計數(shù)略大于貼下部放置，而對遠(yuǎn)探測器影響很小；同樣,當(dāng)儀器在鉆鋌上偏心放置、泥漿導(dǎo)流通道直徑不同時對遠(yuǎn)近探測器的熱中子計數(shù)影響也較?。粌x器在鉆鋌上偏心放置、導(dǎo)流通道直徑為50 mm和泥漿導(dǎo)流通道內(nèi)居中放置且直徑為70 mm時的泥漿體積基本相同，對遠(yuǎn)近探測器的熱中子計數(shù)影響很大，偏心放置時的計數(shù)大約是居中放置時的1.5倍，且近探測器處隨著地層孔隙度的增加兩者變化趨勢基本相同；遠(yuǎn)探測器受儀器放置位置和地層孔隙度的影響都較大，其中在低孔隙度地層條件下偏心放置時的熱中子計數(shù)大約是居中放置的2.5倍，而隨著孔隙度增大，儀器放置不同引起熱中子的差異在減小，在孔隙度為30%～40%時差別為2.1倍。

圖3 熱中子計數(shù)與孔隙度的關(guān)系

3.3 中子孔隙度測井響應(yīng)

由于儀器放置鉆鋌中央泥漿導(dǎo)流通道時的位置對熱中子計數(shù)影響較小，利用上述模擬的結(jié)果，可以得到儀器偏心和居中兩種情況下近遠(yuǎn)探測器的熱中子計數(shù)比值與地層孔隙度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 儀器不同放置情況時的熱中子計數(shù)比值與孔隙度的關(guān)系

從圖中可以看出，當(dāng)中子孔隙度測井儀器放置在鉆鋌泥漿導(dǎo)流通道時，熱中子計數(shù)比值要比偏心放置大，主要是由于測井儀器周圍存在泥漿濾液，對中子的慢化快，造成遠(yuǎn)近探測器的熱中子計數(shù)差異大。

4 偏心和居中條件下中子孔隙度的靈敏度

同樣在上述條件下，得到相應(yīng)的中子孔隙度絕對靈敏度和相對靈敏度關(guān)系，如圖5所示。

圖5 中子孔隙度的靈敏度

隨著地層孔隙度的增加，中子孔隙度的絕對靈敏度和相對靈敏度都下降，其中在孔隙度小于30%時偏心放置時的絕對靈敏度大于居中時的絕對靈敏度，孔隙度大于30%時變化規(guī)律正好相反。

5 結(jié) 論

綜上所述，在任何孔隙度條件下，儀器在偏心放置時的孔隙度測量相對靈敏度都要好于水眼內(nèi)放置，因此在鉆鋌上側(cè)壁開槽放置中子發(fā)生器、中子探測器，不僅可以增加儀器的探測深度，而且還可以提高測量的相對靈敏度。采用MC數(shù)值模擬方法模擬儀器鉆鋌結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的研究，可為高靈敏度的井下儀器設(shè)計提供幫助，同時為測量結(jié)果的環(huán)境因素校正處理提供依據(jù)。

[1] 黃隆基. 放射性測井原理[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1985.

[2] 謝仲生，鄧 力.中子輸運理論數(shù)值模擬計算方法 [M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[3] 謝仲生，俎金花，尹邦華.中子-中子測井的數(shù)值模擬[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，1988.22(4)

[4] 張 鋒，王新光.脈沖中子-中子測井響應(yīng)因素的數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報，2009,33(6)

Numerical simulation for measuring data with different topological designs

of controllable neutron porosity tool

LUO Qingfeng1,2FAN Yuxiang1,2LIANG Yujia2LIU Ronghua1,2GUO Guangliu1,2
(1.Xi’anshiyouuniversity,Xi’an，Shaanxi710065，China;2.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD,Xi’an,Shaanxi710054,China)

There were two mounting means for the neutron tube and detector at the beginning of the development of controllable neutron porosity tool, one was to place the tool in the middle of the drill collar and the other was in one side of the drill collar, which left the opposite side for mud diversion. Because the neutron tube and detector were placed in different places, fluid around them and shielding effect of the drill collar were not equal, thus caused differences among neutron count rate, porosity and sensitivity. By establishing the tool model, along with mathematical simulation, we numerically calculated the results under different conditions. It has been verified that mathematical simulation can provide theoretical foundation for the mechanical layout of high sensitivity controllable porosity instruments.

LWD (logging while drilling)， controllable neutron porosity， numerical simulation， count rate， sensitivity

駱慶鋒，男，1977年生，高級工程師，1999年畢業(yè)于南華大學(xué)核物理專業(yè)，現(xiàn)在中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心從事技術(shù)工作。E-mail:shiyoucejing@163.com

P631.8+17

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2096-0077(2015)01-0027-03

2014-07-12 編輯：姜婷)