基于探測特性曲線的隨鉆伽馬測井儀優(yōu)化方案

駱慶鋒,安旅行,劉時語,陳輝,郭廣鎏,張清民

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院,陜西西安710077;2.西安交通大學核科學與技術學院,陜西西安710049)

0 引 言

核測井是測井行業(yè)中重要的測井手段之一,是以核技術為基礎的一系列測井方法,包括中子測井、伽馬測井以及核磁共振測井3大類[1]。伽馬測井可同時測量地層密度與有效光電吸收截面指數,該指數與地層中各種元素的原子序數有關,因此,可以用于指示地層巖性。伽馬測井方法已成功應用于各種地層條件,并且對復雜巖性的含油氣層的評價起了重要作用[2]。針對伽馬測井儀器的優(yōu)化、探測特性研究已有許多,如吳文圣等[3]研究了套管井中不同套管厚度下的雙源距伽馬測井儀器的光子響應行為,指出當套管和水泥環(huán)厚度小于4.4 cm時,常規(guī)的伽馬測井儀對地層密度的變化反應仍然靈敏;吳文圣等[4]研究源距對探測深度的影響,給出了源距變化對探測深度積分幾何因子曲線的影響;孫培偉等[5]研究了源距對雙源距伽馬測井儀脊肋線的影響,指出短源距減小將導致脊角增大。由于雙源距伽馬測井的關鍵參數較多,包括源距、放射源及探測器開窗尺寸、角度等,這些關鍵參數都會對測井性能產生較大的影響,目前針對雙源距伽馬測井儀器的研究成果還不夠充分,尤其是該儀器的優(yōu)化設計沒有考慮到機械結構對探測深度曲線與層分辨率曲線的影響。

該文針對隨鉆伽馬測井儀器(包含2種放射源開窗)的關鍵機械結構和探測特性進行優(yōu)化、分析,提出了一種基于探測特性曲線的儀器優(yōu)化思路,為隨鉆伽馬測井儀器的設計提供了一定的指導。

1 伽馬測井原理

伽馬測井的原理是利用伽馬源產生的伽馬射線進入地層后,發(fā)生光電效應、康普頓效應與電子對效應,通過探測器記錄來自地層的次級伽馬射線,根據探測器的輸出信號識別地層的巖性與密度。每種效應的反應截面都與地層成分有關,射線與地層發(fā)生的相互作用越少,探測器輸出信號的分析就越簡單,基于這種考慮,選擇能量為662 keV的Cs-137放射源。由于電子對效應的反應能量閾值為1.022 MeV,選擇較低能量的伽馬射線,使其與地層的相互作用只有康普頓效應與光電效應。伽馬射線與地層發(fā)生康普頓散射的截面與地層密度有關,而光電效應截面與地層的巖性有關,根據伽馬射線與物質相互作用截面的不同,只要合理選擇記錄的事例能量范圍,就可以得到地層密度,進行巖性識別。

2 儀器模型的建立

為更好地分析隨鉆伽馬測井儀的性能,采用蒙特卡洛模擬軟件(Monte Carlo N Particle Transport Code,MCNP)對儀器進行模擬。隨鉆伽馬測井儀分為中子源部分與伽馬源部分,伽馬源部分的關鍵機械結構是優(yōu)化的重點,因此,主要介紹伽馬源部分機械結構參數。伽馬源部分主要包括Cs-137放射源、近伽馬探測器、遠伽馬探測器、源屏蔽體、探測器屏蔽體、源開窗以及探測器開窗。源開窗分為一段完整開窗(簡稱一段式開窗,見圖1)與垂直窗加偏角窗兩段組合開窗(簡稱兩段式開窗,見圖2)。該儀器的近伽馬探測器開窗與探測器軸線不垂直,這樣有利于提高伽馬探測器的計數率,解決一般儀器計數率過少的問題。

圖1 一段式開窗儀器伽馬源部分示意圖

圖2 兩段式開窗儀器伽馬源部分示意圖

這2種開窗結構的儀器采用的探測器均為NaI閃爍體探測器,其源距(源至探測器開窗中心距離)見表1。

表1 2種開窗結構的儀器源距

儀器的伽馬源采用點源,伽馬射線能量為662 keV,伽馬射線在模擬中的發(fā)射方向根據研究內容有所不同。本文選擇性地采用各向同性源、錐面源以及單向源這3種形式。源的周圍以及探測器周圍設置鎢鎳鐵合金屏蔽體,用來減少非地層伽馬射線導致的計數。

3 源屏蔽體對計數的影響

在進行儀器特性測試之前,要保證來自儀器的伽馬計數不能占比過大,因此,要先對2種開窗結構的儀器進行屏蔽體厚度的優(yōu)化,以選取合適的屏蔽體厚度。屏蔽體的作用是保證非地層伽馬射線盡量少的被探測器記錄,為了工程上實現方便,選擇在源以及探測器部分分別加入屏蔽體,在固定探測器屏蔽體尺寸的情況下,研究源屏蔽體厚度變化對伽馬探測器計數的影響,從而確定合適的源屏蔽體厚度。需要注意的是,屏蔽體不可能完全屏蔽所有非地層伽馬射線,因此,屏蔽體設計中,評價屏蔽效果的指標以伽馬計數基本穩(wěn)定為宜。

本文中,屏蔽體均選用鎢鎳鐵合金,密度為18 g/cm3,鎢鎳鐵合金對中子有良好的屏蔽效果,也可以減少中子源的影響[6];同時鎢鎳鐵合金原子序數高,密度大,是屏蔽伽馬射線的合適材料[7]。源屏蔽體包圍Cs-137放射源,由于其在徑向的厚度變化較為困難,更改徑向源屏蔽體厚度往往影響井的中間水道,因此,主要針對源屏蔽體軸向厚度進行優(yōu)化分析。

圖3 源屏蔽體對伽馬探測器計數的影響

圖3為伽馬計數隨源屏蔽體厚度變化的趨勢,將伽馬探測器計數進行歸一化處理。

(1)

式中,xmin為計數最小值;xmax為計數最大值;x0為歸一化后數值;x為原本計數值。

由于源屏蔽體不會影響來自地層中的伽馬射線,因此,屏蔽體厚度的變化主要影響進入儀器本身而非地層的那部分伽馬射線。由圖3可見,對于一段式開窗儀器,當源屏蔽體厚度大于4.30 cm時,伽馬探測器計數基本趨于穩(wěn)定,近遠伽馬探測器歸一化計數趨于0,屏蔽體基本屏蔽了來自探測器的伽馬射線,繼續(xù)增大屏蔽體厚度對屏蔽效果影響較小,考慮到儀器自身尺寸限制,選擇源屏蔽體厚度為4.86 cm;對于兩段式開窗儀器,當源屏蔽體厚度大于3.50 cm時,繼續(xù)增大屏蔽體厚度對屏蔽效果影響較小,源屏蔽體厚度選為4.30 cm。

4 儀器探測深度

探測深度是儀器的關鍵特性之一,表征了伽馬探測器計數在徑向上所能反應的地層深度。一般采用水驅模型研究儀器的探測深度。水驅模型是指通過將探測器周圍的地層不斷用水驅替,記錄探測器的計數變化。探測深度一般定義為當探測器計數達到最大值的90%時的地層徑向深度[8]。

圖4利用水驅模型,展示了一段式開窗儀器與兩段式開窗儀器的探測深度曲線變化趨勢?？梢钥闯?2種開窗儀器的遠伽馬探測器計數隨水驅替地層厚度增加呈單調增加的趨勢;2種結構儀器的近伽馬探測器計數隨水驅替地層厚度增加呈先增大,后減小的趨勢。其中,兩段式開窗儀器的近伽馬探測器的探測深度曲線的峰值為穩(wěn)定值的2倍。

圖4 儀器探測深度曲線

對于近伽馬探測器來說(包含一段式開窗儀器與兩段式開窗儀器),由于計數主要由康普頓散射貢獻,在水驅替地層厚度較小時,主要是水與地層對伽馬射線的衰減作用不同所導致的歸一化計數變化。水衰減作用小于地層,從而水驅替地層會使伽馬探測器計數增加;當水驅替地層厚度達到一定值時,水逐漸取代地層成為康普頓散射的主要物質,由于水的康普頓散射截面較小,使得歸一化計數下降,2種作用產生了圖4的峰值。這種峰值的存在,會使得根據伽馬探測器計數計算得到的地層密度值偏小(計數越大,對應密度越小)?？灯疹D散射的主要散射區(qū)越集中,曲線的峰值越明顯;康普頓散射區(qū)越分散,曲線峰值越不明顯,這也是圖4中2條遠伽馬探測器探測深度曲線沒有出現峰值的原因。

在出射射線束固定的情況下,主要散射區(qū)的大小與源距、探測器開窗尺寸以及探測器開窗角度有關:①源距越大,主要散射區(qū)距離儀器越遠,峰值出現位置越遠;②探測器開窗越大,主要散射區(qū)越分散,峰越不明顯;③探測器開窗角度越接近垂直方向,主要散射區(qū)越遠離儀器,主要散射區(qū)也有所增大,峰向后移動且變平緩。由于2種開窗的儀器近伽馬探測器源距基本一致,因此,主要考慮后2個因素對峰值的影響。兩段式開窗尺寸小于一段式開窗尺寸(兩段式開窗儀器為方形開窗,截面為1.0 cm×1.3 cm;一段式開窗儀器為圓柱形開窗,直徑為2.4 cm);兩段式開窗儀器中心線與儀器軸線的垂直線夾角為45°,而一段式開窗儀器中心線與儀器軸線的垂直線夾角為20°。因此,兩段式開窗儀器近伽馬探測器探測曲線的峰值更大且出現更早。

源距是影響儀器測井性能的主要因素,因其受到儀器機械結構的制約,可變化范圍較小。兩段式開窗儀器的近伽馬探測器探測深度曲線峰值最明顯,因此,首先對兩段式開窗儀器的近伽馬探測器的源距進行影響分析。如圖5所示,源距越大,峰值位置偏移且峰值有所減小。但源距的選擇不能單獨考慮探測深度曲線的峰值,因為源距過大會使得計數過小,而隨鉆測井的缺點之一就是測量時間短、計數少。綜合探測器機械結構考慮,兩段式開窗儀器的近伽馬探測器的源距選為17.39 cm。

圖5 源距對兩段式開窗儀器近伽馬探測器探測深度曲線的影響

由于近伽馬探測深度曲線中呈現較大的峰值,為了減小該峰值,可以將開窗角度改為垂直窗、增大開窗尺寸。盡管該儀器由于機械結構的限制,難以增大源距,但仍然模擬了增大源距后的結果,以進一步說明不同修改方案對探測深度曲線的影響。圖6給出了兩段式開窗儀器改變開窗為垂直窗、擴大開窗為1.0 cm×2.5 cm以及同時采用垂直窗和增大源距后的探測深度曲線。

圖6 兩段式開窗儀器近伽馬探測器探測深度影響因素研究

由圖6可知,開窗角度改變?yōu)榇怪贝昂?峰向后移動的同時,峰值也在逐漸變小,峰逐漸平緩;擴大開窗后,峰也會略微后移,同時峰更加平緩;在垂直窗的基礎上,擴大源距,可以更好地減小峰值,此時峰相比初始狀態(tài)已經被很大程度地平緩了。如圖6所示,采用垂直窗且擴大近伽馬探測器源距后,最終穩(wěn)定值由最大值的40%提高到接近90%,減小了測量誤差。

目前大多數隨鉆伽馬測井儀器都是直窗,并且開窗較大、源距較大,較少遇到探測深度峰值,因此,還缺少針對探測深度曲線出現峰值的原因進行詳細的論述。但應當指出,這種峰值對測井的影響很大,當實際測井遇到地層分界面時,探測深度峰值會使得測量密度結果突然偏大,可能導致對地層分析出現錯誤,因此,對探測深度曲線峰值影響因素的研究是十分必要的。

針對存在峰值的情況,如果難以更改儀器結構,可以對探測深度的定義進行一定的修正,從而盡量減小測量誤差。常規(guī)的定義中,歸一化計數到達0.9的點會由于峰值的存在而提前,但實際上伽馬探測器計數尚未穩(wěn)定,因此,這里提出一種探測深度的拓展定義,即歸一化計數到達穩(wěn)定值0.1范圍以內,并且不會再超出穩(wěn)定值0.1范圍時的地層深度,稱為其探測深度,這時的測量密度與真實密度的誤差僅有10%。在這種定義下,一段式開窗儀器近、遠伽馬探測器的探測深度分別為8.95 cm、17.25 cm;兩段式開窗儀器近、遠伽馬探測器的探測深度分別為10.25 cm、11.55 cm。

5 儀器層分辨率

與探測深度類似,層分辨率是指儀器在遇到垂直于儀器軸線的地層分界面時,儀器對地層的分辨能力。沿探測器軸線,逐漸用一種地層驅替另一種地層,同時觀察儀器的歸一化計數,計數由最大值的10%至最大值的90%時,地層分界面所變化的距離就是層分辨率。

與探測深度類似,層分辨率也受到主要散射區(qū)的影響。兩段式開窗儀器近伽馬探測器的層分辨率曲線中,平緩階段以及谷值同樣是由于不同物質對伽馬射線的衰減以及散射同時作用所產生的效果(見圖7)。層分辨率曲線與探測深度曲線的主要區(qū)別在于驅替的方式不同,層分辨率曲線是地層交界面垂直于探測器軸向,地層交界面沿探測器軸向移動;探測深度曲線是2種地層的交界面與探測器中心軸平行,地層交界面沿探測器徑向移動。因此,對于探測深度曲線來說,在水與地層交界面穿過主要散射區(qū)后,大部分伽馬射線也都被地層衰減了,即使水繼續(xù)驅替地層,產生的影響也非常小;對于層分辨率曲線來說,在兩個地層交界面穿過主散射區(qū)后,繼續(xù)驅替會使得衰減作用進一步實現。由于一段式開窗儀器選取的開窗尺寸大于兩段式開窗儀器,并且兩段式開窗儀器的探測器開窗中心線與儀器軸線的垂直線夾角也大于一段式開窗儀器,從而兩段式開窗儀器的主要散射區(qū)很小而一段式開窗儀器主要散射區(qū)很大,主要散射區(qū)物質的康普頓散射截面變化對一段式開窗儀器的影響遠小于兩段式開窗儀器。儀器層分辨率見表3。

圖7 伽馬探測器層分辨率曲線

表3 隨鉆伽馬測井儀層分辨率

6 結 論

(1)對儀器屏蔽優(yōu)化進行分析研究,并在給定源距的情況下給出合適的源屏蔽體厚度,為儀器結構設計提供方便。

(2)含有一定角度的探測器開窗、較小的探測器開窗尺寸以及較小的源距會導致伽馬探測器的探測深度曲線存在峰值,峰值的出現會導致對地層密度的計算偏小。

(3)探測深度曲線峰值是由于康普頓散射的主要散射區(qū)較集中所導致,可以通過增大探測器開窗角度、探測器開窗尺寸以及擴大源距的方式使康普頓散射的主要散射區(qū)更加分散,從而減小探測深度曲線的峰值。

(4)該研究沒有給出探測深度曲線峰值、峰寬影響因素的定量分析結果,還需要進一步分析研究并完善。