隨鉆非標井眼密度測井儀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李國梁 袁 偉 齊 波 趙 越

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

隨鉆密度測井儀器是隨鉆測井中很重要的一種儀器，為測井解釋提供地層密度信息和孔隙度，同時為地層評價和油藏描述提供數(shù)據(jù)支撐。目前市場上大多儀器采用的是標準井眼作業(yè)，針對某些區(qū)域缺乏非標井眼尺寸的測量工具適用性問題，可以通過對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作業(yè)條件和井下工具優(yōu)化設(shè)計的研究來提高入井成功率和鉆井時效，此時很有必要設(shè)計出一套非標井眼儀器滿足市場需要。

1 儀器簡介與設(shè)計概述

圖1 為儀器探測器部分機械結(jié)構(gòu)示意圖，主要由放射源倉、屏蔽體、長源距晶體、短源距晶體組成。其中，源倉、長源距晶體和短源距晶體外面都有peek 窗口，伽馬源通過peek 窗口進入地層，經(jīng)過地層的散射吸收后，散射后的光子通過各自的peek 窗進入長短探測器晶體里面。由于地層密度不一樣，散射到晶體的計數(shù)率就不同。伽馬射線與物質(zhì)的相互作用主要有電子對效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)，而其中只有康普頓效應(yīng)才與地層的密度成正比關(guān)系。密度儀器采用單能為 0.662MeV 的Cs137 源，只能發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，因此可以測量地層密度。

隨鉆密度標準675 儀器已經(jīng)有比較完整的MC模擬器[2-3]，模擬與實驗都驗證過模擬器設(shè)計合理可靠。同時，675 儀器有完備的實測數(shù)據(jù)，通過測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量和市場反饋，得知該儀器設(shè)計和制造是符合測井需求的。為了達到標準井眼的675儀器測量水平，非標井眼隨鉆密度測井儀[4-5]的方案設(shè)計是基于標準儀器675 的基礎(chǔ)上進行的。

非標隨鉆密度儀器外徑是9-1/2in，標準675 儀器外徑是6-3/4in，很明顯兩種儀器的外徑不一樣，這樣導(dǎo)致最直接的問題是兩支儀器探測器得到的計數(shù)率不一樣，進而測量的密度值不同。為了得到相同的計數(shù)率和探測特性，就非常有必要對儀器扶正器進行優(yōu)化設(shè)計。

扶正器設(shè)計擬有兩種方案，分別為探測器淺埋和探測器深埋方案。

（1）維持翼肋厚度不變。如圖1 所示，即維持源、晶體到扶正器外表面的距離（40.375mm）不變，而晶體到扶正器軸的距離由原值64.4mm 增至77.1 mm。該方案簡稱“探管淺埋方案”。

圖1 儀器探測器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）維持源和晶體相對于儀器軸線距離不變。即增大扶正器厚度，保持晶體到儀器軸線距離為64.4mm，晶體到扶正器外表面的距離由40.375mm 增加到53.075mm。該方案簡稱“探管深埋方案”。

“探管淺埋方案”最大優(yōu)點是完全繼承了標準675 儀器的各種探測特性，能夠滿足計數(shù)率精度、縱向和徑向探測特性，缺點是對儀器整個探測器結(jié)構(gòu)部分重新設(shè)計，改動比較大，與675 儀器之間的通用性變差?！疤焦苌盥穹桨浮眱?yōu)點在于儀器結(jié)構(gòu)與675 保持一直，只是增加了扶正器的厚度，換句話說只需要在675 基礎(chǔ)上更換扶正器就可以作業(yè)，通用性強。缺點在于需要對扶正器的窗體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。考慮到儀器的適用性、通用性和維護便捷性，采用“探管深埋方案”是比較不錯的選擇。

2“探管深埋方案”存在問題和解決方案

2.1 存在問題

在探測器深埋的扶正器設(shè)計方案中，源、長短探測器的peek 窗厚度也增加不少，明顯改變了入射伽馬射線進入peek 窗的計數(shù)率，造成射線作用區(qū)域發(fā)生改變，影響入射射線與探測器晶體作用從而導(dǎo)致計數(shù)率和能譜形狀發(fā)生改變。

圖2 和圖3 中的黑色線為675 儀器的試驗曲線，可以看出，單純的增加扶正器的厚度，不優(yōu)化扶正器的出射窗，長源距探測器得到的譜型沒有發(fā)生多大變化，能夠滿足測量需求。此時，短源距探測器卻在0.2-0.3MeV能量范圍內(nèi)，譜型出現(xiàn)一個臺階，發(fā)生了畸變，這嚴重影響短探測器的能窗計數(shù)率，進而導(dǎo)致密度測量不準確。導(dǎo)致譜型發(fā)生變化的原因，是因為扶正器厚度的增加，伽馬射線入射探測器窗的角度發(fā)生變化，由于厚度的增加，有一部分入射伽馬射線入射到扶正器的本體上，而不是直接進入到探測器里面的晶體中，這樣一來計數(shù)率就發(fā)生變化，就出現(xiàn)了圖所示的臺階。

圖2 長源距實驗與模擬譜型

圖3 短源距實驗與模擬譜型

2.2 解決方案

利用“探管深埋方案”的GEANT4 模擬器對放射源窗、屏蔽材料、遠源距窗和近源距窗進行模擬，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，放射源窗增大，近遠源距的探測效率變大，且不改變近遠源距的探測能譜譜型。屏蔽材料變更，探測效率增大，中高能區(qū)的能譜譜型發(fā)生明顯改變，高能區(qū)偏低，且中能偏高區(qū)不再出現(xiàn)明顯臺階區(qū)。

短源距窗有內(nèi)窗與外窗，模擬計算結(jié)果表明不改變內(nèi)窗的前提下，外窗增大對改善近源距探測效率非常有限。內(nèi)窗增大表現(xiàn)出明顯的數(shù)值優(yōu)勢，其譜型上類似于屏蔽材料變更帶來的改變。方案中增大了放射源窗，遠源距窗和近源距窗內(nèi)窗，結(jié)果表明優(yōu)化后的設(shè)計在探測效率和能譜譜型上效果都較理想。

同時用GEANT4 模擬器對儀器性能響應(yīng)進行了模擬，結(jié)果表明該優(yōu)化方案的近遠源距徑向、縱向和環(huán)井敏感角響應(yīng)正常。響應(yīng)值介于標準儀器675 和標準儀器800 的響應(yīng)值之間，這與非標井眼測井儀直徑介于標準儀器675 和標準儀器800 儀器直徑相符。

探測器埋深方案的機械結(jié)構(gòu)變動集中在扶正器上，因此儀器研發(fā)的成本較變動整個儀器機械結(jié)構(gòu)的成本低，且也沒有標準儀器800 近源距能譜中密度測量敏感區(qū)出現(xiàn)臺階的現(xiàn)象，但近源距探測效率偏低，在實際測量中可能需要適當(dāng)增加測量時間。

總之，改變探測器的窗口，實質(zhì)是改變?nèi)肷涮綔y器伽馬射線的入射角度，讓更多的伽馬射線進入探測中，達到與標準675 儀器一樣的探測效果。為了評估測量的精度，有必要在刻度井群中進行實測數(shù)據(jù)驗證和誤差分析。

3 測量精度與不確定分析

針對“探管深埋方案”的優(yōu)化方案，有必要在刻度井中進行實測驗證和測量精度的分析。由以上的研究可知，探管深埋方案對長源距的測量影響不大，主要是短源距能譜出現(xiàn)臺階現(xiàn)象，這里主要分析短源距的測量精度與不確定度。

密度測量精度定義為：

儀器在9 口刻度井中進行了測試，分別得到計數(shù)率和對應(yīng)的密度值，如表1 所示。通過與標稱值比較，9 口井的測量精度均滿足小于5%的測量要求。選擇W8 井進行不確定度分析，計算結(jié)果如表2 所示，從30s 統(tǒng)計不確定度來看，長短源距均小于0.015g/cm3的測量要求。

表1

表2

刻度井群的9 口實驗井代表著儀器測量的密度范圍，從表1 和表2 的計算結(jié)果來看，測量精度和不確定分析結(jié)果完全滿足測井需求，同時也與標準675 儀器測量效果一致，因此說明優(yōu)化后的扶正器結(jié)構(gòu)是合理的。

4 結(jié)論

“探管深埋方案”是隨鉆非標井眼密度測井儀器較理想的設(shè)計方案，同時優(yōu)化放射源窗口，屏蔽材料和近遠探測器的窗口，能夠很好的增加入射伽馬射線的計數(shù)率，避免短源距譜型出現(xiàn)臺階現(xiàn)象，同時不影響儀器的徑向和縱向探測特性，滿足測量精度小于5%和不確定小于0.015g/cm3的測量要求。