雙源通用式地層元素測(cè)井儀的研究與設(shè)計(jì)

張堅(jiān)鋒，于其蛟，郭紅旗，杜海洋

(中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司 山東 東營(yíng) 257096)

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

雙源通用式地層元素測(cè)井儀的研究與設(shè)計(jì)

張堅(jiān)鋒，于其蛟，郭紅旗，杜海洋

(中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司 山東 東營(yíng) 257096)

介紹了雙源通用式地層元素測(cè)井儀的設(shè)計(jì)。采用溴化鑭(LaBr3)閃爍晶體探測(cè)器取代碘化鈉和鍺酸鉍晶體，配合通用式的同位素中子源或者脈沖中子源短節(jié)，提高了探測(cè)效率；設(shè)計(jì)了儀器結(jié)，構(gòu)包括硼套的厚度和屏蔽體的結(jié)構(gòu)；著重分析了元素標(biāo)準(zhǔn)譜的制作和氧化物閉合模型的建立。

地層元素測(cè)井；溴化鑭；中子源；標(biāo)準(zhǔn)譜；氧化物閉合模型

0 引 言

地層元素測(cè)井是通過(guò)高能中子源發(fā)出的快中子與地層元素發(fā)生非彈、活化和俘獲反應(yīng)所產(chǎn)生的次生伽馬能譜來(lái)求得巖石中的元素含量的一種測(cè)井方法。能夠確定硅、鈣、鐵、硫、鈦、釓、鎂、鉀、鋁等十幾種元素的含量，通過(guò)多種測(cè)井方法的結(jié)合，可以提供更加精確的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)[1]。另外，在頁(yè)巖氣和致密氣層的識(shí)別和勘探中，該測(cè)井方法也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

上世紀(jì)90年代后期，斯倫貝謝公司率先推出了自己的元素俘獲測(cè)井儀ECS[2]，2009年哈里伯頓推出了GEM測(cè)井儀[3]，這兩者采用的是同位素中子源。2009年貝克休斯也推出了自己的地層元素測(cè)井儀FLeX[4]，它采用的是脈沖中子源。值得一提的是，斯倫貝謝公司現(xiàn)在又推出了采用溴化鑭晶體作為探測(cè)器配合脈沖中子發(fā)生器的新一代地層元素測(cè)井儀[5]。

本文提出采用溴化鑭晶體作為閃爍探測(cè)器，電路設(shè)計(jì)上采用既可以與同位素中子源短節(jié)相連，又可以與脈沖中子源短節(jié)相連的雙源通用式結(jié)構(gòu)。下面介紹一下該儀器的部分研究成果。

1 地層元素測(cè)井儀的工作原理

地層元素測(cè)井采用中子源放出中子，中子通過(guò)和地層元素發(fā)生非彈性散射和俘獲反應(yīng)放出伽馬射線，利用探測(cè)器記錄伽馬射線產(chǎn)生光子，經(jīng)過(guò)光電倍增管產(chǎn)生電子脈沖，通過(guò)電路測(cè)量分析脈沖幅度得到伽馬能譜[6]。

2 儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙源通用式地層元素測(cè)井儀主要由中子源短節(jié)、閃爍晶體與采集控制短節(jié)、數(shù)據(jù)遙傳短節(jié)和高壓電源等部分組成，儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中閃爍晶體與采集控制短節(jié)包括閃爍晶體、光電倍增管、前級(jí)放大電路和脈沖多道分析電路等。

圖1 雙源通用式地層元素測(cè)井儀的儀器結(jié)構(gòu)

2.1 閃爍晶體的選擇

針對(duì)斯倫貝謝新一代元素測(cè)井儀的變化，我們著重進(jìn)行了鍺酸鉍(BGO)晶體與溴化鑭(LaBr3)在能量分辨率、探測(cè)效率、發(fā)光效率方面的數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)的對(duì)比。兩種探測(cè)器的基本性能如表1所示。

表1 BGO晶體和LaBr3晶體的基本特性

實(shí)驗(yàn)使用晶體尺寸為Φ30 mm×30 mm，強(qiáng)度為1 mci的133Ba伽馬源所包含射線能量及相對(duì)份額為79.614 KeV(2.65%)，80.998 KeV(32.9%)，276.3989 KeV(7.16%)，302.851 KeV(18.34%)，356.0129 KeV(62.05%)，383.848 KeV(8.94%)分別照射兩個(gè)晶體的側(cè)面，使用Teak公司生產(chǎn)的便攜式多道譜儀來(lái)記錄能譜。

在同樣的倍增管、同樣的探頭高壓等條件下，計(jì)算出對(duì)于356 keV的能量特征峰，溴化鑭晶體的能量分辨率為4.53%，鍺酸鉍晶體的能量分辨率為13%左右，所以溴化鑭晶體的能量分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鍺酸鉍晶體，在后續(xù)進(jìn)行能譜數(shù)據(jù)處理時(shí)溴化鑭更加有利于不同元素的區(qū)分。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)總結(jié)出溴化鑭晶體的能量分辨率要好于BGO晶體,并且輸出的脈沖信號(hào)幅度高于BGO，便于信號(hào)放大處理。但是溴化鑭晶體的輸出信號(hào)脈沖寬度非常窄，對(duì)于目前的電子線路的分辨速度來(lái)說(shuō)需要多道譜儀的分辨時(shí)間小于400 ns，需要對(duì)信號(hào)處理電路做進(jìn)一步的優(yōu)化。

針對(duì)溴化鑭晶體，峰檢電路、AD轉(zhuǎn)換電路部分都需要改進(jìn)，鍺酸鉍晶體的發(fā)光衰減時(shí)間是300 ns，而溴化鑭晶體的發(fā)光衰減時(shí)間是20 ns，這對(duì)于峰檢電路、AD轉(zhuǎn)換電路是極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的峰值檢測(cè)通過(guò)將前放出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行峰值到達(dá)檢測(cè)，然后在峰值到達(dá)時(shí)刻采用電容保持，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),顯然這種方式無(wú)法滿足溴化鑭晶體的快速處理，只能采取數(shù)字化峰值檢測(cè)技術(shù)。數(shù)字化峰值檢測(cè)技術(shù)通過(guò)將前放出來(lái)的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單整形后，被高速、高精度ADC數(shù)字化，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)完成脈沖信號(hào)幅度提取和校正等，電路的處理速度將大大提升[7]。

2.2 脈沖中子源電路的設(shè)計(jì)

雙源通用式地層元素測(cè)井儀的中子源部分設(shè)計(jì)成短節(jié)結(jié)構(gòu)，使同位素中子源和脈沖中子源都能夠與儀器的主體部分相連。傳統(tǒng)的同位素中子源的信號(hào)輸出電路技術(shù)成熟，而穩(wěn)定可靠的脈沖中子源電路需要進(jìn)行優(yōu)化處理。

脈沖電路由FPGA芯片及外圍電路組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行陽(yáng)極脈沖、靶壓驅(qū)動(dòng)、熱絲控制，以及靶流測(cè)量、靶壓測(cè)量、陽(yáng)極電流測(cè)量。

目前國(guó)內(nèi)成熟的脈沖中子管工作溫度是150℃，滿足175℃的指標(biāo)還需要進(jìn)一步提升。通過(guò)采用冷陰極潘寧離子源，加速電極采用弧形，靶基采用圓錐凹面結(jié)構(gòu)，氘氚存儲(chǔ)器采用鋯-石墨材料，離子源電路、靶壓驅(qū)動(dòng)電路采用高溫元器件進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 元素譜預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)

前放電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)二級(jí)程控放大、峰值檢測(cè)、高速AD轉(zhuǎn)換、在FPGA和CPU控制下完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，然后把數(shù)據(jù)送入高速遙傳短節(jié)。

2.4 硼套和屏蔽體的設(shè)計(jì)

根據(jù)GEM和ECS儀器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)蒙特卡洛數(shù)值模擬研究了硼套對(duì)測(cè)量能譜的影響，建立理想的地層元素測(cè)井儀的數(shù)值模型。理想模型中采用的是14 MeV的脈沖中子源，硼套將整個(gè)儀器包裹厚度為4 mm，記錄探測(cè)器探測(cè)到的俘獲能譜，隨著硼含量的增加能譜中的鐵元素成分在減少，硼的質(zhì)量百分含量增加到16之后鐵元素成分基本不減少，所以此時(shí)硼套中硼含量最佳值是16%。

在此模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變主屏蔽體的尺寸，研究井液、地層中的快中子通量與熱中子通量的變化情況發(fā)現(xiàn)，隨著屏蔽體的增大，井眼效應(yīng)在減小，所以屏蔽體的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量大。

3 數(shù)據(jù)處理的方法

雙源通用式地層元素測(cè)井儀的數(shù)據(jù)處理過(guò)程首先需要對(duì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和飄移校正，然后實(shí)測(cè)譜在已制作好的元素標(biāo)準(zhǔn)譜的基礎(chǔ)上通過(guò)加權(quán)最小二乘法對(duì)譜進(jìn)行解析，求得各元素產(chǎn)額，再通過(guò)氧化物閉合模型求得各種元素的質(zhì)量百分含量[8]。

3.1 元素標(biāo)準(zhǔn)譜的制作

通過(guò)制作好的6口專用的地層元素刻度井群(砂巖、灰?guī)r、白云巖、黃鐵礦、硅基、鈣基)，利用已有的碳氧比全能譜測(cè)井儀在飽和度刻度井中測(cè)量的俘獲譜與蒙特卡洛數(shù)值模擬模型得到的俘獲譜進(jìn)行對(duì)比，由圖2可以得到，實(shí)測(cè)曲線和模擬曲線的吻合度很高，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的要求，可以用蒙特卡洛數(shù)值模擬的方法求取地層元素的俘獲譜和非彈譜。

同時(shí)運(yùn)用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法結(jié)合加權(quán)最小二乘法，可初步求得包括Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、H、Cl、Na、Ba、Mn、Al等12種元素的俘獲標(biāo)準(zhǔn)譜和包括Ca、Si、C、O、Mg等5種元素的非彈標(biāo)準(zhǔn)譜。具體如圖3、圖4所示。

圖2 實(shí)測(cè)能譜與數(shù)值模擬能譜對(duì)比

圖3 元素俘獲標(biāo)準(zhǔn)譜

圖4 元素非彈標(biāo)準(zhǔn)譜

3.2 氧化物閉合模型研究

對(duì)于一個(gè)確定的地層，各種礦物的重量百分含量之和應(yīng)該是1。對(duì)于地層中主要是氧化物和碳酸鹽巖時(shí)，我們可以使用礦物中的某種特種元素來(lái)表示該礦物，即

Mj=Xj·Wtj

(1)

式中，Xj為j元素的氧化物指數(shù)，通過(guò)礦物化學(xué)式求出；Wtj為j元素的質(zhì)量百分含量。則地層中各種礦物的和可以表示為：

(2)

地層元素測(cè)井儀器所測(cè)定的地層元素含量的核心公式是：

(3)

式中，Wtj為地層中第j種元素的重量百分含量；yj為第j種元素的產(chǎn)額，即第j種元素中子俘獲伽馬譜對(duì)混合譜的貢獻(xiàn)分額；F為氧化物閉合因子；Sj為第j種元素的相對(duì)靈敏度因子，它是一個(gè)與反應(yīng)截面、儀器結(jié)構(gòu)、探測(cè)器有關(guān)的量，與中子源強(qiáng)度、中子輸運(yùn)、地層密度無(wú)關(guān)，很難通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得[9,10]。所以我們采用蒙特卡洛數(shù)值模擬的方法計(jì)算出來(lái)的相對(duì)靈敏度來(lái)替代。

這樣求得地層元素含量之和的公式為：

(4)

4 結(jié) 論

1)雙源通用式地層元素測(cè)井儀創(chuàng)新性地提出了一只儀器既可以接同位素中子源短節(jié)又可以接脈沖中子源短節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的測(cè)井環(huán)境提供了保障。

2)蒙特卡洛數(shù)值模擬方法在儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元素標(biāo)準(zhǔn)譜的制作和氧化物閉合模型的建立等方面發(fā)揮了巨大的作用，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，可得到更加準(zhǔn)確的元素含量。

3)模擬獲得的地層元素標(biāo)準(zhǔn)譜后續(xù)還需要結(jié)合實(shí)際樣機(jī)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和校正，如有必要還會(huì)添加其它元素的標(biāo)準(zhǔn)譜。

[1] 袁祖貴，成曉寧，孫 娟. 地層元素測(cè)井：一種全面評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的測(cè)井新技術(shù)[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2004，38(增刊)：208-213.

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[10] 龐巨豐，李 敏．地層元素測(cè)井中子伽馬譜解析方法的實(shí)際應(yīng)用 [J]．同位素，2006，19(4)：214-217.

The Design of Dual Source General Formation Elements Logging ToolZ

HANG Jianfeng， YU Qijiao， GUO Hongqi， DU Haiyang

(WellLoggingCompanyShengliPetroleumEngineeringCorporationLtd.，SINOPEC，Dongying,Shandong257096，China)

The design of dual source general formation elements logging tool is introduced. A Lanthanum bromidescintillator detector is used to substitute sodium iodideand BGO crystals, which can increase detector efficiency with a general short section of a isotope neutron source or a pulsed neutron source. The instrument structure, including the thickness of boron sleeve and the shield, is designed. The element standard spectra obtained by Monte Carlo modeling and the establishment of oxides closure model are analyzed.

formation elements logging; lanthanum bromide; neutron sources; standard spectrum; oxide closure model

張堅(jiān)鋒，男，1986年生，2011年碩士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)就職于勝利測(cè)井公司900項(xiàng)目組核測(cè)井組。E-mail: sl_feng0323@qq.com

P631.8+17

A

2096-0077(2016)06-0016-03

2015-12-16 編輯：姜 婷)