用于孔隙度測井的中子發(fā)生器產(chǎn)額影響研究

褚慶軍,于傳武,姜世蓮,楊陸,張羽,高鵬

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院,黑龍江大慶163412;2.中國石油天然氣集團有限公司測井技術(shù)試驗基地,陜西西安710077;3.中國石油集團測井有限公司質(zhì)量安全監(jiān)督中心,黑龍江大慶163412;4.中國石油集團測井有限公司制造公司,陜西西安710077;5.中國石油集團測井有限公司物資裝備公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

中子應(yīng)用技術(shù)在測井、探傷、照相等領(lǐng)域不斷發(fā)展,中子發(fā)生器作為放射性同位素中子源的替代品,具有獨特的優(yōu)點,如可關(guān)斷性和單能性[1],其研究和應(yīng)用技術(shù)也在一直進步。常規(guī)中子測井通常使用镅鈹同位素中子源作為放射源,近年來各國對測井環(huán)保要求越來越高,有些地區(qū)甚至禁止使用化學(xué)放射源測井。采用中子發(fā)生器替代化學(xué)源,可以很好地解決測井環(huán)保問題,并且由于中子脈沖時序可控,除了孔隙度還可以進行碳氧比能譜、地層元素、密度、剩余油飽和度等多種參數(shù)測量。中子產(chǎn)額是指單位時間內(nèi)產(chǎn)出中子的個數(shù),其穩(wěn)定性是評價中子發(fā)生器性能的一項重要指標。與使用預(yù)制靶中子管相比,采用自生靶中子管的中子發(fā)生器中子產(chǎn)額更穩(wěn)定,但與化學(xué)源的中子產(chǎn)額穩(wěn)定性仍有較大差距。

本文對影響中子發(fā)生器中子產(chǎn)額的3種因素進行分析,總結(jié)了各因素對使用自生靶中子管的中子發(fā)生器中子產(chǎn)額的影響規(guī)律,剖析了目前較為成熟的兩種中子發(fā)生器中子產(chǎn)額穩(wěn)定措施的利弊,并提出一種用于可控源中子測井的孔隙度校正方法。

1 中子發(fā)生器工作原理及中子管結(jié)構(gòu)

1.1 中子發(fā)生器工作原理

中子發(fā)生器是一種小型的粒子加速器中子源,其組成部分包括中子管、電源系統(tǒng)及控制系統(tǒng)[2],圖1為中子發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 中子發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

中子發(fā)生器發(fā)射14.1 MeV高能中子的工作過程:①通過控制系統(tǒng)和電源給存儲器供電,存儲器發(fā)熱釋放所需氘氣或氘-氚混合氣;②通過控制系統(tǒng)和電源給離子源陽極電路供電,在離子源電磁場作用下,存儲器釋放的氘氣或氘-氚混合氣電離成氘、氚離子;③通過控制系統(tǒng)和電源給加速極供電,使加速極保持在70～120 kV高壓下工作;④氘、氚離子從離子源被引出、加速并轟擊靶,發(fā)生氘-氘或氘-氚核反應(yīng),產(chǎn)生所需高能中子[2-3]。

1.2 中子管結(jié)構(gòu)

中子管采用玻璃或陶瓷材料制成密封外殼,可保持內(nèi)部高度真空狀態(tài),整體結(jié)構(gòu)主要由存儲器、離子源、加速系統(tǒng)及靶構(gòu)成。①存儲器由加熱用的鎢錸絲和外面包裹的吸氫材料構(gòu)成,在離子源工作時通過給存儲器供電加熱釋放氘氣或氘-氚混合氣,離子源工作結(jié)束時存儲器斷電降溫,以便快速徹底地將混合氣吸附回存儲器保證中子管內(nèi)部的高度真空狀態(tài);②離子源種類較多,如冷陰極潘寧離子源、熱陰極離子源、射頻離子源、納米管離子源等,目前多數(shù)國產(chǎn)中子管使用冷陰極潘寧離子源,它由陽極、陰極、對陰極(也稱輸出陰極)和磁鋼構(gòu)成;③加速系統(tǒng)由離子源的對陰極和聚焦加速極構(gòu)成,聚焦加速極結(jié)構(gòu)通常有法拉第筒加偏壓電場或法拉第筒加磁場兩種結(jié)構(gòu),氘、氚離子束的引出、聚焦和加速在加速系統(tǒng)內(nèi)完成;④靶由靶體、靶膜、底座構(gòu)成,根據(jù)不同制造工藝可以將靶分為預(yù)制靶和自生靶。

2 中子產(chǎn)額影響因素分析

相比于常用的镅鈹同位素中子源,中子發(fā)生器中子產(chǎn)額穩(wěn)定性較差,中子產(chǎn)額的波動影響使用中子發(fā)生器測井儀的測量結(jié)果,尤其對孔隙度測井和地層元素測井有影響。影響中子產(chǎn)額的因素有環(huán)境溫度、中子管累計工作時間、中子管供電參數(shù)等。

2.1 環(huán)境溫度

靶的制造工藝決定了中子管輸出中子產(chǎn)額的熱穩(wěn)定性。預(yù)制靶中子管采用的工藝是按照加熱-冷卻-吸附的工序在靶膜上充氚氣,再封裝靶與中子管主體。中子管封裝完畢后,為保證常溫時管內(nèi)真空度,要進行加熱以排除雜質(zhì)氣體,排氣溫度不能超過250 ℃,否則會引起預(yù)制靶逸出大量氚氣。該排氣溫度下預(yù)制靶中子管內(nèi)部排氣不徹底,導(dǎo)致環(huán)境溫度100～150 ℃時預(yù)制靶中子管輸出中子產(chǎn)額的穩(wěn)定性較差。自生靶中子管采用的工藝是在封裝靶與中子管主體前靶膜不充氚氣,封裝后采用超過400 ℃的排氣溫度排除雜質(zhì)氣體,然后在存儲器、陽極、聚焦加速極這3路供電作用下,氘離子或氘、氚混合離子注入靶膜,若干小時后靶膜內(nèi)氣體濃度趨于穩(wěn)定,中子產(chǎn)額也趨于穩(wěn)定。自生靶中子管排氣時不需要考慮靶膜氣體逸出問題,可最大限度排出雜質(zhì)氣體,提高管內(nèi)真空度。因此,自生靶中子管在環(huán)境溫度低于150 ℃時保持了良好的中子產(chǎn)額穩(wěn)定性[4]。

通過一組實驗獲得中子產(chǎn)額與環(huán)境溫度隨時間變化的數(shù)據(jù),實驗采用的是中國石油集團測井有限公司大慶分公司(簡稱大慶分公司)生產(chǎn)的某型號自生靶中子管。定義T為環(huán)境溫度,通過調(diào)節(jié)存儲器電壓、電流,保持陽極電壓2 kV、靶壓100 kV、靶流100 μA不變,記錄中子產(chǎn)額、陽極電流、存儲器電流變化。得出結(jié)論:①中子管在60～150 ℃工作時,中子產(chǎn)額保持很好的輸出穩(wěn)定性;②隨著T逐漸升高,中子產(chǎn)額逐漸下降,在60～150 ℃條件下,溫度越高產(chǎn)額衰減速度越快,當(dāng)T≤80 ℃中子產(chǎn)額變化較小(見圖2)。

圖2 中子產(chǎn)額與環(huán)境溫度、時間的關(guān)系

2.2 中子管累計工作時間

中子管的壽命是指靶壓不超過100 kV條件下、中子產(chǎn)額不低于1×108n/s的工作時間[5]。大慶分公司生產(chǎn)的自生靶中子管初始中子產(chǎn)額約為2×108n/s,表1統(tǒng)計了2003年—2010年11支中子管的工作時間。以平均每口井測井用時5 h計算,每口井中子產(chǎn)額下降幅度為0.92%。表2為中國某廠生產(chǎn)的3種型號預(yù)制靶中子管的相關(guān)數(shù)據(jù)[4],以平均每口井測井用時5 h計算,每口井中子產(chǎn)額下降幅度分別為13.87%、11.26%、5.39%。對比自生靶和預(yù)制靶中子管,中子產(chǎn)額均隨著中子管工作時間的增長而逐漸下降,自生靶中子管下降速度明顯慢于預(yù)制靶中子管。

表1 自生靶中子管應(yīng)用情況表

表2 預(yù)制靶中子管應(yīng)用情況表

2.3 中子管供電參數(shù)

中子管供電分3路,共6個參數(shù),分別是存儲器電壓、存儲器電流、陽極電壓、陽極電流、靶壓、靶流。其中,存儲器電流受控于存儲器電壓,用于調(diào)節(jié)離子源內(nèi)氣壓,與離子源陽極電壓一起構(gòu)成了離子源陽極電流的因變量;靶流是受控于靶壓和陽極電流的因變量。因此,影響中子產(chǎn)額的供電參數(shù)可以確定為陽極電壓、陽極電流、靶壓。

為了測試這些因素對中子產(chǎn)額的影響,采用大慶分公司生產(chǎn)的自生靶中子管進行實驗,溫度為室溫。相關(guān)參數(shù)定義:中子產(chǎn)額為N;陽極電壓為Uan,取值為1.3～2.9 kV,采樣間隔0.1 kV,誤差為±5 V;陽極電流為Ian,取值為240～420 μA,采樣間隔30～40 μA,誤差為±3 μA;靶壓為Utr,取值為80～125 kV,采樣間隔5 kV,誤差為±0.1 kV。通過實驗,得到960組關(guān)于N、Uan、Ian、Utr的數(shù)據(jù)。圖3(a)為保持某Ian不變且Utr等差變化時Uan與N的關(guān)系圖,圖3(b)為保持某Uan不變且Ian等差變化時Utr與N的關(guān)系圖,圖3(c)為保持某Uan不變且Utr等差變化時Ian與N的關(guān)系圖。

圖3 中子產(chǎn)額與陽極電壓、陽極電流、靶壓關(guān)系

當(dāng)其他供電參數(shù)保持不變時,由以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:①N與Uan不是單純的線性關(guān)系或指數(shù)關(guān)系,但存在1.6～1.8 kV、2.4～2.9 kV這2個近乎于坪區(qū)的區(qū)間;②N與Utr呈三次函數(shù)關(guān)系;③N與Ian呈線性函數(shù)關(guān)系。

綜合以上分析,為了保持N穩(wěn)定,使用中子發(fā)生器時應(yīng)盡量保持T、Ian、Utr的穩(wěn)定。給中子發(fā)生器加裝保溫瓶可以使T緩慢上升。使用閉環(huán)負反饋系統(tǒng)可以保證快速且精確地控制Utr供電電路,但對Ian實現(xiàn)快速精確地控制較為困難,實踐中一般采用調(diào)整存儲器電壓對其進行控制。存儲器電壓發(fā)生變化時存儲器溫度也發(fā)生改變,進而影響管內(nèi)氣壓,實現(xiàn)對Ian的控制,一般需要若干秒才能實現(xiàn)。使用閉環(huán)負反饋系統(tǒng)控制存儲器電壓時,反饋系數(shù)過大會使Ian值發(fā)生震蕩、反饋系數(shù)過小會使調(diào)整Ian值穩(wěn)定的速度過慢,并且合適的反饋系數(shù)會隨著中子管工作時間變長、環(huán)境溫度等因素的變化而發(fā)生改變。對于使用可控源的測井儀,測井時只能保證Utr的實時穩(wěn)定。因此,通過定期在固定場所進行N的刻度(刻度因子包括T、Ian和Utr)并刻度N與測井工程值的關(guān)系,可實現(xiàn)對測井資料的高精度測量。

3 中子產(chǎn)額測量

3.1 中子產(chǎn)額的直接測量

中子發(fā)生器產(chǎn)生的快中子能量為14.1 MeV,目前測井常用的中子探測器如He -3管、半導(dǎo)體探測器、閃爍探測器等[6-7]均為熱中子、超熱中子或γ探測器,無論使用哪種探測器都需要對14.1 MeV快中子進行慢化才能進行測量。但慢化過程中井內(nèi)流體、地層不同都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響,即使采用屏蔽措施也無法做到完全消除環(huán)境因素的影響。

在氘-氚核反應(yīng)中,快中子與伴隨α粒子總是成對出現(xiàn),并且α粒子產(chǎn)額不受環(huán)境因素影響,僅與中子發(fā)生器效率有關(guān),因此,對這些伴隨粒子產(chǎn)額的絕對測量,是與中子產(chǎn)額的絕對測量等價的[6]。采用伴隨粒子法,使用α探測器如閃爍探測器或半導(dǎo)體金-面壘探測器等替代快中子探測器,測量快中子產(chǎn)額既準確又簡單。但這個方案實施起來卻并不容易,由于α粒子穿透性差,在空氣中射程不到10 cm,在固體和液體中的射程約為空氣中射程的1‰,α探測器與中子管的靶之間不能有固體或液體障礙物,所以需要將α探測器與中子管集成為一體。

圖4為一種測井儀器采用的伴隨α中子管[7],與前文所述中子管相比增加了多個小的α探測器。當(dāng)中子管的中子產(chǎn)額為107量級時,α計數(shù)率在1 000 n/s以上;產(chǎn)額增加至108量級時,α計數(shù)率可以滿足精度要求。該中子管制造工藝復(fù)雜、成品率低,且尺寸較大,限制了其在可控中子源測井儀器中的普及應(yīng)用。

圖4 有伴隨粒子探測功能的中子管示意圖

3.2 中子產(chǎn)額的間接測量

由中子產(chǎn)額影響因素分析可知,對于使用自生靶中子管的中子發(fā)生器,定期進行N的刻度可以實現(xiàn)脫離探測器的中子產(chǎn)額間接測量。實施過程:選定一個Uan的典型工作值,將中子管的工作環(huán)境溫度T劃分為j個區(qū)間,在每個溫度區(qū)間刻度中子產(chǎn)額、靶壓、陽極電流的關(guān)系,形成中子產(chǎn)額刻度公式

Nca,i=Fi(Utr,Ian)

(1)

式中,i為溫度區(qū)間的序數(shù)(i=1,2,…,j);Nca,i為第i個溫度區(qū)間的中子產(chǎn)額刻度值,n/s;Fi為Utr與Ian構(gòu)成的函數(shù)。這樣就形成了中子產(chǎn)額與環(huán)境溫度、供電參數(shù)的刻度關(guān)系。

為了驗證刻度關(guān)系的準確性,用某型號自生靶中子管進行多次開機測試,每次實驗間隔1～7 d,開機預(yù)熱30 min后開始測試。表3是室溫(25 ℃)條件下,保持2.7 kV陽極電壓不變時記錄的一組隨機數(shù)據(jù),刻度的中子產(chǎn)額Nca與實際測量的中子產(chǎn)額Nme的誤差E均小于0.55%,在Utr、Ian的典型工作條件85～110 kV下該誤差更小。因此,對于該自生靶中子管,中子產(chǎn)額的間接測量方案可靠,測量結(jié)果精度高。

表3 2.7 kV陽極電壓下中子產(chǎn)額刻度值與測量值對比

4 利用中子產(chǎn)額刻度孔隙度

4.1 中子產(chǎn)額刻度的必要性

對于中子孔隙度、碳氧比能譜、地層元素、密度測井等使用放射源的測井方法,放射性強度與泥餅、井徑、巖性、水泥環(huán)等環(huán)境因素都是測井?dāng)?shù)據(jù)的影響因素?；瘜W(xué)源穩(wěn)定性好,使用化學(xué)源的測井儀可以在刻度階段將放射性強度以固定值融入到刻度系數(shù)中,測井時不再需要考慮放射性強度對測井?dāng)?shù)據(jù)的影響。使用可控源的測井儀則可以在刻度階段將可變的放射性強度作為一個變量進行刻度,類似于環(huán)境影響校正,測井時將放射性強度數(shù)值帶入刻度數(shù)據(jù)即可完成放射性強度影響校正。對于使用可控源的中子孔隙度測井儀,放射性強度與中子產(chǎn)額成正比。

測井過程中,為了保持孔隙度測量精度不受中子產(chǎn)額變化的影響,有必要實時穩(wěn)定中子產(chǎn)額,或在測井前進行中子產(chǎn)額與孔隙度關(guān)系的刻度。為此,針對配置不同硬件的可控源中子孔隙度測井儀設(shè)計了兩種中子產(chǎn)額對孔隙度資料的校正方法。

4.2 刻度方法

對于不能利用硬件進行中子產(chǎn)額直接監(jiān)測的可控源中子孔隙度測井儀,進行中子產(chǎn)額與孔隙度關(guān)系刻度,并對比孔隙度校正前后效果,實施步驟如下。

(1)中子產(chǎn)額刻度?？潭萅ca與Ti、Utr、Ian的對應(yīng)關(guān)系,得到中子產(chǎn)額刻度公式。刻度時將測井儀置于烘箱內(nèi)部,探測器部位放置刻度塊,將工作溫度劃分為j個區(qū)間,對每個溫度區(qū)間進行設(shè)置:設(shè)置m(m≥4)個Utr典型工作值Utr,x(x=1,2,…,m);設(shè)置n(n≥2)個Ian典型工作值Ian,y(y=1,2,…,n);并記錄Utr,x、Ian,y和對應(yīng)的中子產(chǎn)額實際測量值Nme,xy。如果沒有滿足刻度條件的場地或考慮到中子管壽命因素,可以只進行常溫狀態(tài)下的刻度,刻度時將儀器探測器置于砂巖模塊標準中子刻度井的100%純水層中段。使用大慶分公司生產(chǎn)的某型號自生靶中子管,采用室溫條件下中子產(chǎn)額刻度計算公式[見式(1)],在環(huán)境溫度為80 ℃時對中子產(chǎn)額進行計算,與實測中子產(chǎn)額相差小于2%,精度較高;當(dāng)溫度繼續(xù)上升時產(chǎn)額下降較快。

測量Nme,xy時,為了盡量減小因探測器、放大電路的脈沖堆積產(chǎn)生的計數(shù)誤差,使用遠探測器作為Nme,xy的采樣探測器。為了降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計起伏,脈沖工作模式下從脈沖結(jié)束5 μs(可調(diào))開始計時,累計40 μs(可調(diào)),連續(xù)工作模式下不間斷測量,每個數(shù)據(jù)點累計60 s,可以將統(tǒng)計誤差限制在±0.2%以內(nèi)。取得由靶壓典型工作值、陽極電流典型工作值及對應(yīng)的中子產(chǎn)額測量值數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集

A=(Utr,x,Ian,y,Nme,xy)

(2)

根據(jù)數(shù)據(jù)集A擬合出中子產(chǎn)額刻度公式

Nca=F(Utr,Ian,Ti)

(3)

式中,F(Utr,Ian,Ti)為Utr、Ian、Ti的擬合函數(shù)。

根據(jù)式(3)可衍生2個相關(guān)公式

Utr=F(Nca,Ian,Ti)

(4)

Ian=F(Utr,Nca,Ti)

(5)

式中,F(Nca,Ian,Ti)為Nca、Ian、Ti的擬合函數(shù);F(Utr,Nca,Ti)為Utr、Nca、Ti的擬合函數(shù)。

(2)孔隙度刻度。孔隙度與Nca、短源距和長源距探測器計數(shù)比對應(yīng)關(guān)系刻度。將儀器探測器置于總層數(shù)為c(c≥4)的砂巖模塊標準中子刻度井中,設(shè)各層孔隙度值為φp(p=1,2,…,c);設(shè)置b(b≥4)個Nca的典型工作值Nca,q(q=1,2,…,b);并記錄Nca,q、φp和對應(yīng)的短源距和長源距探測器計數(shù)比Rpq。

設(shè)置Nca,q時,可以使用式(4)或式(5)。離子源陽極電流Ian為存儲器電壓和陽極電壓共同控制的復(fù)合因變量,調(diào)節(jié)陽極電壓會改變離子源輸出離子束的單原子離子比例,影響式(4)、式(5)的精確度;調(diào)節(jié)存儲器電壓后Ian需緩慢變化一定時間才能穩(wěn)定,所以Ian無法實現(xiàn)快速、精確調(diào)節(jié)。為了最大化刻度效率,故采用式(4),通過固定Ian、調(diào)節(jié)Utr來精確設(shè)置Nca,q。取得由刻度中子產(chǎn)額的典型工作值、各層孔隙度值及對應(yīng)的短源距和長源距探測器計數(shù)比Rpq組成的數(shù)據(jù)集

B=(Nca,q,φp,Rpq)

(6)

根據(jù)數(shù)據(jù)集B擬合出孔隙度刻度公式

φ=f(R,Nca)

(7)

式中,φ為總孔隙度,p.u.;R為短源距和長源距探測器計數(shù)比;f(R,Nca)為R與Nca的擬合函數(shù)。

將Nca=F(Utr,Ian,Ti)帶入式(7),得到由R、Utr、Ian,Ti擬合的函數(shù)

φ=f(R,Utr,Ian,Ti)

(8)

當(dāng)Nca為固定值時,φ可簡化為R的三次多項式,這符合化學(xué)源補償中子測井儀孔隙度與探測器計數(shù)比的相應(yīng)關(guān)系。

φ=a0+a1R+a2R2+a3R3

(9)

式中,a0、a1、a2、a3為刻度系數(shù)。

(3)孔隙度實時校正。測井時孔隙度φ的實時校正。測井時,實時記錄Utr、Ian、R、T值,帶入式(8)即可計算出經(jīng)過中子產(chǎn)額校正的地層真實孔隙度。圖5是大慶油田某區(qū)塊某裸眼井使用陣列中子測井儀取得的孔隙度資料,該井井深1 250 m,井底溫度不超過60 ℃。由于陣列中子測井儀的中子發(fā)生器沒有溫度探測器,并且沒有中子產(chǎn)額溫度刻度條件,所以只進行了室溫狀態(tài)下的中子產(chǎn)額供電參數(shù)刻度。圖5中深度為1 190 ～1 213 m井段,第2道是未經(jīng)中子產(chǎn)額校正的原始孔隙度測量段與重復(fù)段的曲線,孔隙度資料重復(fù)誤差為18.6%,高于評價標準,數(shù)據(jù)顯示Utr有2.5%～3.0%的幅度漂移,Ian有約2%的幅度漂移。第3道是進行中子產(chǎn)額校正的孔隙度曲線,重復(fù)性有明顯改善,達6.43%,經(jīng)過中子產(chǎn)額校正的孔隙度資料重復(fù)性得到極大改善。

圖5 大慶油田某區(qū)塊某井可控源中子孔隙度資料重復(fù)性校正前后對比

對于利用硬件進行中子產(chǎn)額實時監(jiān)測的測井儀,如斯倫貝謝公司的NeoScope無源隨鉆測井平臺,當(dāng)監(jiān)測到的中子產(chǎn)額變化幅度超出設(shè)定范圍時,通過負反饋電路調(diào)整中子管供電參數(shù),可以穩(wěn)定中子產(chǎn)額。但通過調(diào)整供電參數(shù),尤其是調(diào)整存儲器供電電流,會使中子產(chǎn)額在一定范圍內(nèi)波動,其孔隙度資料也會受到影響。由于中子產(chǎn)額可以直接測量,故可跳過中子產(chǎn)額刻度這一步驟,直接進行孔隙度刻度和孔隙度實時校正,經(jīng)資料處理后即可提升孔隙度資料的精度。

5 結(jié) 論

(1)綜合考慮環(huán)境溫度、累計工作時間等中子產(chǎn)額影響因素,自生靶中子管中子產(chǎn)額的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于預(yù)制靶中子管中子產(chǎn)額的穩(wěn)定性。

(2)對于自生靶中子管,用供電參數(shù)計算中子產(chǎn)額的方案可靠,測量結(jié)果精度高。

(3)通過中子產(chǎn)額刻度、孔隙度刻度、孔隙度資料實時校正,可有效降低測井過程中環(huán)境溫度、供電參數(shù)變化對孔隙度測量值的影響,大幅提高孔隙度資料的精度。