基于CLYC探測器的可控源中子孔隙度測井數(shù)值模擬研究

周 悅 于華偉 王 猛 杜本強 劉志杰

1（中海油田服務股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 三河 065201）

2（中國石油大學（華東） 青島 266580）

目前，可控D-T 源中子孔隙度測井儀器通常采用3He中子探測器進行熱中子的探測，考慮到3He氣體短缺、中子探測領(lǐng)域廣泛等消耗產(chǎn)出問題，使用新型Cs2LiYCl6:Ce（CLYC）探測器對傳統(tǒng)3He 中子探測器進行替換是核測井探測器選擇的新方向。隨著探測器設計制造工藝的發(fā)展，國外公司已經(jīng)制造出能夠在井下高溫環(huán)境中工作且滿足熱中子和γ光子探測計數(shù)標準的新型雙粒子晶體探測器。2012年，法國SAINT-GOBAIN 公司推出了新型CLYC 探測器［1］，能夠滿足γ 射線探測，還因為具有高熱中子截面6Li核素的存在可以對熱中子進行吸收測量；Shah等［2?3］通過實驗對新型雙粒子探測器的探測特征進行了分析，認為中子和γ 射線在衰減快慢上存在較明顯差異，從而經(jīng)過甄別處理后能有效識別熱中子計數(shù)；張泉瀅等［4］研究設計了基于CLYC 探測器的核測井儀器模型，認為新型CLYC 探測器在中子等粒子探測問題上滿足測井需求標準，減少了探測器的使用數(shù)量且改善了儀器的縱向分辨率問題。相比于中子孔隙度測井中常規(guī)使用的3He 中子探測器，目前對于CLYC 探測器的熱中子探測效率研究較少，簡單采用同源距位置處的探測器替換缺乏理論依據(jù)，容易造成熱中子接收計數(shù)低，影響測量結(jié)果精度，因此需要對新型CLYC 探測器的熱中子探測特征及替換3He中子探測器的可行性進行分析研究。

對于新型CLYC 探測器，其在對地層孔隙度的測量與設計源距位置、響應結(jié)果精度聯(lián)系密切，因此為了獲取CLYC 探測器的熱中子探測特征，需要對其在不同6Li 純度和探測器尺寸下的熱中子計數(shù)通量進行分析；另外，由于需要對3He中子探測器進行替換使用，因此對比分析了兩者關(guān)于熱中子的接收響應結(jié)果。本文擬利用蒙特卡羅模擬方法確定新型CLYC 探測器熱中子探測效率，進而對比研究其與3He 中子探測器的響應差異性與替換可行性，為中子孔隙度測井儀器的探測器選擇設計提供依據(jù)。

1 CLYC 晶體探測器及可控源中子孔隙度測井原理

1.1 熱中子性質(zhì)及CLYC 探測器熱中子測量原理

對于熱中子而言，按照動能大小分類其能量范圍都處于0.025 eV附近［5］。由于熱中子穿透能力較強，能夠透過套管并且與地層發(fā)生一系列的反應，因此廣泛應用在石油測井中［5］。同時，熱中子呈電中性，不能直接引起物質(zhì)的電離與激發(fā)，對中子的探測主要通過其他物質(zhì)與其相互作用后產(chǎn)生次級帶電粒子，從而實現(xiàn)識別探測［6］。

CLYC 探測器中富含熱中子截面高的6Li 元素，粒子探測原理以核反應為基礎，熱中子與6Li元素的核反應過程如下：

反應產(chǎn)物為4He 和氚核的帶電粒子，且此時反應Q值達到 4.78 MeV，相比于 CLYC 探測器，3He 中子探測器的核反應過程為：

1.2 可控源中子孔隙度測井原理

可控源中子孔隙度測井通常采用D-T中子源和距離源不同位置的兩個3He 中子探測器，源釋放出高能快中子經(jīng)過地層減速慢化作用后變?yōu)闊嶂凶硬⑸⑸浠鼐郏惶綔y器接收計數(shù)；地層中氫元素對快中子存在極強的減速作用，通過近、遠兩個探測器測得計數(shù)率的比值確定地層含氫指數(shù)。由于氫元素通常存在于地層孔隙中的水或石油等流體中，因此氫的含量與地層孔隙度有關(guān)，從而獲取地層孔隙度［5，7］。

2 計算模型

為了獲取CLYC 探測器的熱中子探測特征，首先需要確定不同6Li 元素純度、不同探測器尺寸下CLYC探測器的熱中子計數(shù)通量，另外，在驗證分析中子探測器替換的可行性時，需要與可控源中子孔隙度測井通常采用的3He探測器進行對比分析。因此，本文基于蒙特卡羅模擬軟件（Monte Carlo Nparticle Transport Code，MCNP）分別構(gòu)建計算模型對上述問題進行研究。

2.1 CLYC探測器模型及基準檢測

圖1模擬252Cf源釋放的快中子經(jīng)過聚乙烯慢化劑減速后變?yōu)闊嶂凶忧易罱K被CLYC探測器接收的粒子探測過程。該模型中放射源與CLYC探測器之間的間距為25 cm，晶體尺寸為4 cm×3 cm×3 cm；探測器外殼為鋁殼，長度為17.5 cm；整個空間內(nèi)充滿空氣，桌子材質(zhì)采用木制，聚乙烯慢化劑厚度從0 cm間隔變化到9 cm，進而得到不同聚乙烯慢化劑厚度下的CLYC 探測器熱中子計數(shù)接收響應；每次模擬時抽樣108個粒子，以保證模擬結(jié)果統(tǒng)計精度。

圖1 CLYC探測器模型Fig.1 CLYC detector model

在模擬數(shù)據(jù)可靠性上，基于CLYC 探測器的熱中子測量實驗分析數(shù)據(jù)［8］，通過蒙特卡羅軟件模擬得到對應實驗室操作環(huán)境下的熱中子探測響應結(jié)果，并進行歸一化處理，如圖2 所示。經(jīng)觀察可得，實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出熱中子計數(shù)先增加后減少的趨勢，峰值處對應慢化劑厚度相差1 cm 左右。分析認為：252Cf 源釋放出快中子經(jīng)過慢化劑減速過程中，當慢化劑厚度較小時，高能中子經(jīng)過慢化劑減速變?yōu)闊嶂凶?，表現(xiàn)為促進熱中子產(chǎn)生；隨著慢化劑厚度逐漸增大，高能中子經(jīng)過慢化劑減速為熱中子之后又被加以吸收，因此曲線趨勢表現(xiàn)為先上升后下降。另外，實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相比，兩者之間存在差異，但認為該差異程度不影響CLYC 探測器熱中子探測特征進一步研究，分析認為差異的存在可能是構(gòu)建的計算模型較為簡單造成的，尤其存在于CLYC探測器模型與實際探測器之間。

圖2 CLYC熱中子計數(shù)隨聚乙烯慢化劑厚度的變化Fig.2 Changes of CLYC thermal neutron count with the thickness of polyethylene moderator

2.2 測井計算模型

圖3對應裸眼井條件下雙源距中子儀器、井眼、地層的三維模型，儀器貼井壁放置，井眼內(nèi)充滿淡水，地層設置為圓柱狀且對應不同孔隙下含水純灰?guī)r地層；探測器位置根據(jù)分析需求從10 cm 變化到95 cm，單次變化間距對應5 cm；使用的中子源類型為釋放14 MeV 快中子的可控D-T 源。由于本文需要針對CLYC 探測器與3He 中子探測器的熱中子探測特征進行研究，在記錄熱中子時配合使用F4卡與Fm卡，其他影響熱中子探測效率的因素在不作說明情況下加以忽略。

圖3 中子測井計算模型Fig.3 Calculation model of neutron logging

3 CLYC探測器熱中子探測特征研究

目前，包括實驗室等使用更多的為6Li元素純度高達95%的CLYC 探測器［9］，而未經(jīng)人工提純的天然CLYC 晶體中6Li 元素純度在7%左右，同時當提純工藝操作存在缺陷或者提純工藝不斷發(fā)展均會影響6Li 元素純度，而6Li 元素對熱中子探測起到關(guān)鍵作用。為了分析6Li 元素純度對熱中子計數(shù)效率的影響，保持探測器晶體尺寸一定，首先對不同6Li 元素純度下的CLYC探測器熱中子計數(shù)響應開展分析研究工作。

3.1 不同6Li元素純度

選取6Li 元素純度分別為7%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、95%和100%的CLYC探測器，根據(jù)蒙特卡羅方法模擬得到快中子經(jīng)過聚乙烯減速劑且被晶體探測器接收后熱中子計數(shù)通量與6Li 元素純度的關(guān)系。

圖4 CLYC熱中子計數(shù)隨6Li純度的變化Fig.4 Changes of CLYC thermal neutron count with the 6Li purity

通過觀察圖4 可得，當CLYC 探測器尺寸一定僅6Li 元素純度變化時，隨著探測器晶體中6Li 元素純度的提高，熱中子的計數(shù)通量也在逐漸增大；當6Li元素純度達到80%及以上時，熱中子計數(shù)增加幅度趨于平緩。綜合觀察整體可知，6Li元素純度高對熱中子探測起到促進作用，反之，則存在抑制作用。分析認為：CLYC 探測器通過晶體中的6Li 元素與熱中子之間發(fā)生核反應從而實現(xiàn)熱中子的接收計數(shù)，當6Li元素純度越高時，此時熱中子反應越劇烈，因此出現(xiàn)上述響應結(jié)果。

3.2 不同晶體尺寸

為了觀察CLYC探測器在不同晶體尺寸下的熱中子計數(shù)通量響應，保持CLYC晶體中6Li元素純度為95%，選取晶體尺寸分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 和25 cm（底面直徑均為10 cm）進行模擬研究，得到熱中子計數(shù)通量與探測器晶體尺寸的關(guān)系如圖5所示。

圖5 CLYC熱中子計數(shù)隨晶體尺寸的變化Fig.5 Changes of CLYC thermal neutron count with the crystal size

根據(jù)圖5的熱中子響應結(jié)果可得，當CLYC探測器的6Li元素純度固定僅探測器晶體尺寸改變時，隨著晶體尺寸的增加，熱中子的探測計數(shù)也在相應增多，說明探測器晶體尺寸的增加會提高熱中子的探測計數(shù)。分析認為：當CLYC 探測器晶體尺寸越大時，6Li 元素的含量越多，這就意味著存在更多的6Li元素與熱中子間的核反應，從而有利于熱中子的探測。

3.3 CLYC與不同氣壓下3He探測器

為了確定探測器替換的可行性，需要對比研究CLYC探測器與3He中子探測器的熱中子計數(shù)差異。考慮到目前中子測井儀器在探測器設計時近、遠源距處分別選用內(nèi)部氣壓不同的兩個3He 探測器，因此，保持探測器尺寸一定（兩者均對應?3 cm×4 cm），選取內(nèi)部氣壓分別為1×105～16×105Pa 間各個整數(shù)級大氣壓下的3He 探測器。通過模擬得到CLYC 探測器與不同內(nèi)部氣壓下3He 中子探測器對應的熱中子計數(shù)通量，響應結(jié)果如圖6所示。

圖6 3He熱中子計數(shù)隨內(nèi)部氣壓的變化Fig.6 Changes of 3He thermal neutron count with the internal pressure

觀察圖6 中3He 探測器熱中子計數(shù)隨其內(nèi)部氣壓的變化關(guān)系，可以得到隨著3He 探測器內(nèi)部氣壓的升高，熱中子的計數(shù)通量也會相應增加，當其內(nèi)部氣壓高達10×105Pa及以上時，熱中子接收計數(shù)增加幅度逐漸趨于平緩。另外，對比圖中CLYC 探測器的熱中子響應結(jié)果可得，它的計數(shù)通量約對應4.5×105Pa下3He探測器的熱中子計數(shù)。已知，為了防止統(tǒng)計誤差過大，中子孔隙度測井儀器一般采用內(nèi)部氣壓較高的3He 探測器以保證粒子計數(shù)，即認為在更多情況下CLYC 探測器的熱中子探測能力弱于前者。

4 基于CLYC 探測器的可控源中子孔隙度測井可行性分析

為了考察CLYC 晶體探測器替換3He 中子探測器應用于可控源中子測井儀器的可行性，需要針對其使用后得到的近遠探測器熱中子計數(shù)率比值響應加以進一步分析研究。

目前，已知CLYC晶體探測器與3He中子探測器在相同尺寸規(guī)格下，前者的熱中子探測能力一般弱于后者，因此CLYC 晶體探測器在可控源中子孔隙度測井儀器中應用時，設計的源距位置可能需要更近，進而提高熱中子探測計數(shù)、降低統(tǒng)計誤差并且改善儀器響應結(jié)果精度。中子孔隙度儀器設計時，源距一般采取零源距及正源距位置，為了保證CLYC探測器源距位置選取的合理性，在與基于3He 中子探測器可控源中子儀器探測響應對比之前，本文首先確定其零源距位置。

4.1 CLYC探測器零源距

對于中子孔隙度測井，放射源與中子探測器中點間的距離稱為源距，在含氫指數(shù)較大的地層粒子計數(shù)率隨源距增大下降得快，而含氫指數(shù)較小的地層計數(shù)率隨源距增大下降得慢。在某一位置處，不同含氫指數(shù)地層對應的粒子計數(shù)率相同，將該失去地層孔隙度靈敏度的源距位置定義為零源距［10］。

圖7 CLYC熱中子計數(shù)隨源距的變化Fig.7 Changes of CLYC thermal neutron count with source spacing

選取含氫指數(shù)分別為5%和25%的灰?guī)r含水地層，改變探測器源距位置使其由10 cm 變化到95 cm，通過模擬得到不同源距處CLYC探測器熱中子計數(shù)響應變化關(guān)系。根據(jù)圖7 能夠確定，當探測器選用CLYC 探測器時，其零源距位置基本認為在25 cm 處，即認為其源距大小需在25 cm 及以上區(qū)間。

4.2 可行性分析

考慮到基于3He中子探測器的可控源中子孔隙度儀器已經(jīng)進行商業(yè)化測井勘探使用并且產(chǎn)生經(jīng)濟效益，如果將CLYC探測器替換3He探測器后兩者對應的中子近遠比響應結(jié)果高度近似，會有極大程度上降低3He 探測器供應不足的壓力、改善應用新型探測器后儀器刻度標定的復雜性等問題。同時，探測器源距的選取對于儀器響應結(jié)果精度以及地層孔隙度靈敏度等存在決定性作用［11］。因此，將3He 中子探測器近遠源距位置分別為25 cm（內(nèi)部氣壓4×105Pa）和65 cm（內(nèi)部氣壓10×105Pa）的可控源儀器作為參照［12］，根據(jù)它的地層孔隙度探測響應，優(yōu)選出CLYC探測器的源距位置并且驗證基于該探測器的可控源中子儀器應用的可行性，其中遠CLYC 探測器源距保證在65 cm及以下，使其盡可能接近3He探測器粒子探測統(tǒng)計精度（兩者近、遠探測器尺寸均對應?2.54 cm×7.62 cm）。

對比兩種探測器關(guān)于熱中子近遠比值響應關(guān)系時，基于零源距位置與遠源距上限，本文分別考慮了標準源距附近的CLYC 探測器源距組合設計，分別為：25～55 cm、25～60 cm、25～65 cm、30～55 cm、30～60 cm、30～65 cm 等，以此確定灰?guī)r含水刻度井情況下的CLYC探測器最優(yōu)源距設計并對其應用可行性加以驗證。

圖8 熱中子近遠比隨地層孔隙度的變化Fig.8 Near/far detector ratio with the formation porosity

如圖8 所示，經(jīng)過模擬得到不同孔隙含水灰?guī)r地層（含氫指數(shù)0%～25%）的熱中子探測接收情況，對比分析3He 探測器和CLYC 探測器的近遠比響應變化關(guān)系可得，不同源距組合類別對應的近遠比值均呈現(xiàn)出隨孔隙度增加而增加的趨勢，但變化幅度不同；另外，當CLYC 探測器的源距組合采用25～60 cm 時，與3He 探測器的中子響應近似程度極高，甚至存在數(shù)據(jù)點重合現(xiàn)象，同時也與前文CLYC 探測器計數(shù)較低，遠源距需要更近這一分析相吻合。

綜上所述，通過源距優(yōu)化，CLYC探測器在可控源中子孔隙度儀器中替代3He探測器的應用存在一定的可行性。

5 結(jié)語

1）CLYC 晶體探測器在進行熱中子探測接收時，主要受到6Li元素純度及晶體尺寸影響。當對應的6Li 元素純度越高、晶體尺寸越大時，熱中子探測效率越高。

2）3He中子探測器內(nèi)部氣壓越大時，對應的熱中子探測能力越強，而6Li 純度（95%）的CLYC 探測器熱中子探測能力大約對應4.5×105Pa下3He探測器。

3）CLYC 晶體探測器對應的零源距基本位于25 cm 處，在灰?guī)r含水地層中，當CLYC 探測器的源距設計相比于3He探測器更近即采用25～60 cm的源距組合時，與其中子孔隙度響應最為接近，同時基本認可CLYC 探測器的替換性，為今后儀器探測器選取設計提供了一定依據(jù)。