造巖元素中子γ測井儀器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張浩宇吳文圣熊世濤

1（中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249）

2（中國石油集團測井有限公司 西安 710077）

造巖元素測井過程中，當儀器內(nèi)的中子源向地層發(fā)射快中子時，地層中的元素原子核會先后與之發(fā)生非彈性散射及輻射俘獲核反應(yīng)，兩個過程中產(chǎn)生的兩種類型的次生γ射線的γ能譜被晶體探測器記錄，后續(xù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以獲得地層中單個元素的含量，進一步可得到地層礦物類型和含量［1-3］。造巖元素測井總體來說是用單一元素的俘獲γ能譜和混合地層的俘獲γ能譜求解各元素含量的過程，包括Al、Ba、C、Ca、Cl、Cu、Fe、H、K、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si、Ti等16種地層元素，是一種簡約的地層元素測井方法。造巖元素中子γ測井儀器主要由氘氚中子源、屏蔽體、溴化鑭閃爍體探測器組成。其中儀器的外殼材料、硼套結(jié)構(gòu)長度、屏蔽體結(jié)構(gòu)及溴化鑭晶體探測器到中子源的距離（源距）都是影響γ探測器計數(shù)和能譜的因素，對地層孔隙度和巖性的識別測定有著至關(guān)重要的影響［4-7］。所以，為了獲得較好的計數(shù)和能譜，本文需要對該儀器的參數(shù)（外殼材料、硼套結(jié)構(gòu)長度、屏蔽體及源距）進行優(yōu)化研究。

1 儀器及蒙特卡羅模型建立

本文所使用的造巖元素中子γ測井儀器如圖1所示，中子源采用的是14 MeV的氘氚脈沖中子源，保證快中子和地層產(chǎn)生非彈及俘獲反應(yīng)［8-10］。探測器為直徑2.54 cm、長3.8 cm的圓柱形溴化鑭晶體，可以探測并記錄非彈性散射γ射線和俘獲γ射線，同時0~10 MeV能量強度的γ射線也可由數(shù)據(jù)采集電路記錄下來［11］。在探測器與中子靶之間還有一個直徑7 cm、厚10.62 cm的屏蔽體，屏蔽體材料為鉛，主要用以屏蔽儀器內(nèi)部的γ射線，并且探測器外部包裹厚度為0.3 cm、長為15 cm的硼套，用以屏蔽熱中子。

圖1 測井儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of logging instrument

通過以上述測井儀器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立造巖元素中子γ測井蒙特卡羅數(shù)值模擬模型［12-16］。探測器、屏蔽體、中子靶、硼套的材料、外徑、長度參數(shù)與實際儀器參數(shù)一致。井眼直徑取15 cm，井眼內(nèi)視情況充淡水或真空，井眼外地層部分半徑為80 cm，根據(jù)情況可填充所需物質(zhì)。為了使測量精度更高，將地層劃分為一個一個的小柵元。儀器貼井壁測量，整個模型高150 cm，模型如圖2所示。

圖2 儀器井眼地層的MCNP模型Fig.2 MCNP model for instrument borehole formation

2 儀器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 外殼材料的優(yōu)化

為保證造巖元素中子γ測井儀器耐高溫、高壓的特性，儀器外殼一般所使用的材料是0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼。高強度、高硬度和抗腐蝕是0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料的優(yōu)良特性，但是大量的Fe元素卻存在于0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼外殼材料上，造成的結(jié)果為Fe元素在與快中子的相互作用下發(fā)生非彈性散射生成0.8 MeV的γ射線，以及與熱中子反應(yīng)生成7.64 MeV的俘獲γ射線，對測量地層中的Fe元素產(chǎn)生很大的干擾，所以應(yīng)該設(shè)法改進。

為了減少儀器外殼部分干擾的γ射線，在了解了多種材料的元素質(zhì)量比進行對比后，候選材料決定選為Fe含量較少的TC11鈦鋼。蒙特卡羅模型中，設(shè)置除外殼材料外其他儀器參數(shù)不變，地層填充等體積的灰?guī)r與石英，地層孔隙度為20%，孔隙中飽和含水。圖3展示了在不同外殼材料下探測器記錄的地層非彈性散射γ能譜及地層俘獲γ能譜。分析圖3可以判斷出，通過探測器記錄下的地層非彈性散射γ能譜及俘獲能譜在儀器為0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料外殼時都有Fe的貢獻，且能譜中Fe峰較為明顯。而對TC11鈦鋼材料而言，其消除Fe峰影響的能力較強，當用TC11鈦鋼材料作為造巖元素中子γ測井儀的外殼材料時，探測器記錄的非彈性散射γ能譜和俘獲能譜Fe的貢獻較小，在能譜中Fe峰不明顯，所以用TC11鈦鋼材料作為外殼材料能起到良好的抗干擾效果。

圖3 TC11鈦鋼和0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼非彈性散射能譜(a)、俘獲能譜(b)對比Fig.3 Comparison of inelastic energy spectrum(a)and capture energy spectrum(b)of TC11 and 0Cr17Ni4Cu4Nb

2.2 硼套結(jié)構(gòu)長度優(yōu)化

硼套的長度優(yōu)化為不斷增加硼套的長度，硼套厚0.3 cm，初始長度為15 cm，按硼套中心點保持于探測晶體中心點不變，每隔5 cm增加硼套長度。蒙特卡羅模型中，設(shè)置儀器其他參數(shù)保持不變，地層填充等體積的灰?guī)r與石英，地層孔隙度為20%，孔隙中飽和含水。探測器記錄地層非彈性散射γ能譜及地層俘獲γ能譜，繪制出圖4。

圖4 不同硼套長度的地層非彈性散射能譜(a)、俘獲譜(b)Fig.4 Formation inelastic spectrum(a)and capture spectrum(b)of different boron sleeve lengths

通過對圖4的觀察，發(fā)現(xiàn)硼套長度的增加對低能段（0~6 MeV）的能譜影響幾乎可以忽略不計，高能段（6~10 MeV）非彈性散射γ能譜及俘獲譜的譜形在硼套長度增大到接近25 cm后基本不再改變。同時看出，隨著硼套長度的增加，非彈性散射γ能譜、俘獲能譜中雜峰的數(shù)量明顯減少。進一步來看，雜峰主要來源于儀器所含元素的非彈γ射線和內(nèi)部熱中子在外殼元素上的俘獲γ射線，所以雜峰數(shù)量的減少也代表著儀器外殼部分干擾的γ射線減少，使元素測量結(jié)果更準確。

硼套的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為在考慮儀器外殼材料的情況下，分析不同硼套長度及硼套嵌入（即硼套嵌于儀器外殼上）、非嵌入（即硼套位于儀器內(nèi)壁）對地層俘獲能譜譜形的影響。蒙特卡羅模型設(shè)置同上，儀器外殼材料分別選用0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼和TC11鈦鋼，硼套長度經(jīng)過上述研究定為15 cm、29 cm進行對比研究。通過探測器記錄下地層俘獲γ能譜，不同儀器外殼材料的地層俘獲γ能譜對比如圖5所示。通過圖5可以看出，硼套長度為15 cm時，TC11鈦鋼外殼材料的地層俘獲譜在8.02 MeV處出現(xiàn)雜峰，而當硼套長度設(shè)置為29 cm時，雜峰數(shù)則有所減少。在考慮0Cr17Ni4Cu4Nb中Fe元素的存在會影響俘獲譜7.72 MeV的Al峰計數(shù)率，以及將硼套置于小直徑整體鈦鋼管工藝的復(fù)雜性，本次測井儀器硼套長度結(jié)構(gòu)優(yōu)化選用長29 cm的硼套嵌于TC11鈦鋼材料儀器外殼上最為合適。

圖5 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼(a)、TC11鈦鋼外殼(b)材料地層俘獲能譜Fig.5 Formation capture energy spectrum of 0Cr17Ni4Cu4Nb shell(a)and TC11 shell(b)

2.3 屏蔽體結(jié)構(gòu)

2.3.1 屏蔽體材料

屏蔽體是為防止中子源產(chǎn)生的中子直接進入儀器探測器影響探測結(jié)果而設(shè)置的。2012年，西安交通大學嚴慧娟等［17］通過實驗得到了鎢鎳鐵、鐵、鉛、銅、石墨、硼砂和聚乙烯7種屏蔽材料的屏蔽率變化結(jié)果，得出鎢鎳鐵是所選幾種材料中屏蔽效果最好的。

圖6是當儀器中分別放置這7種屏蔽材料，其他設(shè)置參數(shù)均為儀器原始參數(shù)，地層填充等體積的灰?guī)r與石英，地層孔隙度為20%，孔隙中飽和含水時得到的非彈譜和俘獲譜曲線?？梢钥闯觯斊帘尾牧蠟榫垡蚁┖褪珪r，非彈譜與俘獲譜整體計數(shù)率最大且彼此接近，明顯高于其他屏蔽材料的計數(shù)，屏蔽效果差。鉛和鎢鎳鐵對非彈譜的作用非常接近，整體計數(shù)率均較低，且在俘獲譜中鎢鎳鐵形成的計數(shù)率最低，可以得出鎢鎳鐵屏蔽效果最好。

圖6 屏蔽材料對非彈譜和俘獲譜的影響(a)非彈譜，(b)俘獲譜，(c)歸一化非彈譜，(d)歸一化俘獲譜Fig.6 Influence of shielding materials on inelastic and capture spectrums(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

2.3.2 屏蔽體厚度

假設(shè)地層填充等體積的灰?guī)r與石英，地層孔隙度為20%，孔隙中飽和含水時，在保持儀器其他原始參數(shù)不變的情況下，屏蔽體的厚度分別按2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm變化，繪制出非彈譜和俘獲譜隨屏蔽體厚度變化情況，如圖7所示?？梢钥闯?，屏蔽體厚度的改變基本上不改變非彈譜和俘獲譜的譜形。雖然整體上計數(shù)率隨屏蔽體厚度的增加而減小，但當屏蔽體厚度大于4 cm后，屏蔽體厚度的改變在非彈譜和俘獲譜計數(shù)率上產(chǎn)生的數(shù)量級差很小，如圖8所示。因此，屏蔽體厚度對非彈譜及俘獲譜的影響可忽略不計，厚度可維持初始厚度10.62 cm，這樣更貼合儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。

圖7 屏蔽體厚度對非彈譜和俘獲譜的影響(a)非彈譜，(b)俘獲譜，(c)歸一化非彈譜，(d)歸一化俘獲譜Fig.7 Influence of shield thickness on inelastic spectrum and capture spectrum(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

圖8 屏蔽體厚度對非彈譜和俘獲譜計數(shù)率影響對比Fig.8 Comparison of shield thickness on inelastic spectrum and capture spectrum count rates

2.3.3 屏蔽體直徑

假設(shè)地層填充等體積的灰?guī)r與石英，地層孔隙度為20%，孔隙中飽和含水時，在保持儀器其他原始參數(shù)不變的情況下，根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)設(shè)屏蔽體的直徑分別為7 cm、8.2 cm、9.4 cm、10.6 cm和11.8 cm時，非彈譜和俘獲譜曲線隨屏蔽體直徑變化情況如圖9所示?？梢姡S著屏蔽體直徑的增大，非彈譜和俘獲譜的計數(shù)率下降，亦即屏蔽體的屏蔽效果越好。屏蔽體直徑的改變對計數(shù)率的影響如圖10所示，隨著屏蔽體直徑增大，在半對數(shù)坐標上計數(shù)率呈線性遞減?？紤]到儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屏蔽體直徑取為11.8 cm最優(yōu)。

圖9 屏蔽體直徑對非彈譜和俘獲譜的影響(a)非彈譜，(b)俘獲譜，(c)歸一化非彈譜，(d)歸一化俘獲譜Fig.9 Influence of shield diameter on inelastic spectrum and capture spectrums(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

圖10 屏蔽體直徑對非彈性散射能譜和俘獲譜計數(shù)率影響對比Fig.10 Comparison of shield diameter on inelastic spectrum and capture spectrum count rates

2.4 源距優(yōu)化

源距優(yōu)化為不斷改變中子源到探測晶體的距離，模擬時設(shè)源距分別為23 cm、28 cm、33 cm、38 cm、43 cm、48 cm、53 cm和58 cm。儀器其他參數(shù)設(shè)置均為原始參數(shù)，地層填充等體積的灰?guī)r與石英，地層孔隙度為20%，孔隙中飽和含水。計算得到的非彈γ、俘獲γ及總γ計數(shù)率隨不同源距的變化曲線如圖11所示。由圖11可知，在半對數(shù)坐標上探測器的非彈性γ計數(shù)率隨源距增加而線性減小，俘獲γ計數(shù)率以及非彈γ與俘獲γ的總計數(shù)率均隨源距先增大而后呈線性減小，且非彈γ隨源距的衰減速度稍快于俘獲γ。

圖11 探測器γ計數(shù)率隨源距的變化Fig.11 Variation of detector gamma count rate with source distance

由探測器得到的非彈γ能譜和俘獲γ能譜曲線如圖12所示?？梢?，非彈能譜曲線也隨源距增加而降低，當源距不超過38 cm，各主要特征峰幾乎同幅度降低。當源距大于38 cm以后，能譜曲線變形，各特征峰變化的趨勢不一致。能譜曲線變形雖由蒙特卡羅模擬統(tǒng)計誤差及源距共同引起，但在本次實驗中統(tǒng)計誤差都控制在可接受范圍內(nèi)，僅需考慮源距因素即可。故從俘獲譜曲線看，當源距大于38 cm后，曲線在高能部分的變化趨勢開始不一致；源距為23 cm其整體計數(shù)率較低。因此，源距不宜過大（大于38 cm），也不應(yīng)太?。ㄐ∮?3 cm）。結(jié)合儀器的其他機械結(jié)構(gòu)，源距取為37.6 cm。

圖12 源距對非彈譜和俘獲譜的影響(a)非彈譜，(b)俘獲譜，(c)歸一化非彈譜，(d)歸一化俘獲譜Fig.12 Influence of source distance on inelastic and capture spectrums(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

3 優(yōu)化后儀器性能模擬測試

當經(jīng)過上述模擬確定了造巖元素中子γ測井儀的最佳優(yōu)化參數(shù)后，儀器探測深度、縱向分辨率、適用井眼范圍也會發(fā)生改變，因此需利用圖2所示MCNP模型進行儀器測試，而且針對不同的性能測試需要改變對應(yīng)的井眼地層環(huán)境。

3.1 探測深度

以石灰石（CaCO3）設(shè)計地層，由于γ射線的穿透能力受地層密度的影響較大，通過改變地層孔隙度來改變對應(yīng)地層的密度值，孔隙度分別為5%、30%?？紫吨酗柡秃鶕?jù)灰?guī)r骨架密度可得到對應(yīng)密度分別為2.62 g?cm-3、2.19 g?cm-3。分別在兩種密度情況下對探測深度進行測試，測試條件為不斷地改變地層的徑向深度，深度變化為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm、45 cm、50 cm、55 cm、60 cm、65 cm。測試過程中記錄不同孔隙度地層不同徑向深度下非彈、俘獲譜的總計數(shù)率，結(jié)果處理時將地層徑向深度的增加不會帶來非彈、俘獲譜總計數(shù)率變化的飽和段定為給探測器提供100%地層信息的徑向深度，即此時徑向積分幾何因子達到1。最后繪制出了徑向積分幾何因子G隨地層徑向深度R變化的曲線，非彈和俘獲信息的徑向積分幾何因子分別如圖13所示，取G=0.9時對應(yīng)的R值為儀器的探測深度［18-19］。由圖13分析可知，隨著地層孔隙度的減小，儀器對地層非彈信息的探測深度變化為18~22.85 cm，俘獲信息的探測深度變化為30.02~38.94 cm。根據(jù)探測深度定義取最大探測深度，即造巖元素中子γ測井儀器的探測深度為38.9 cm。

圖13 非彈性散射信息(a)、俘獲信息(b)的徑向積分幾何因子Fig.13 Radial integral geometric factors of inelastic information(a)and captured information(b)

3.2 縱向分辨率

以石英（SiO2）設(shè)計薄層、石灰石（CaCO3）設(shè)計圍巖層，薄層及圍巖孔隙度均為10%，孔隙中飽和含水，薄層和圍巖的地層密度由骨架密度確定，分別為2.49 g?cm-3、2.54 g?cm-3。測試條件為不斷改變薄層的縱向厚度，厚度變化為35 cm、40 cm、45 cm、50 cm，并且從模型底部開始逐漸上移進行測量。取地層底部縱坐標為-50 cm，此時儀器中子源與探測器的中心點縱坐標取為38.9 cm，薄層中心點縱坐標位置變化為-21.0 cm、-11.0 cm、-1.10 cm、8.90 cm、19.90 cm、28.90 cm、38.90 cm、48.90 cm、58.90 cm、68.90 cm、78.90 cm。測試過程中記錄對應(yīng)厚度下薄層不同縱向位置測量得到的俘獲譜的Si峰相對計數(shù)率。然后繪制出在不同薄層厚度的條件下Si峰相對計數(shù)率隨薄層縱向位置的變化曲線，如圖14所示。由圖14分析可知，當薄層在地層縱向上移動時，Si峰相對計數(shù)率逐漸上升，到達極大值后開始逐漸下降，響應(yīng)曲線兩邊對稱；當薄層厚度逐漸增加，Si峰相對計數(shù)率的極大值逐漸增大，當薄層厚度增加到一定程度后，該極大值處于穩(wěn)定，幾乎不再隨薄層厚度而變化。具有Si峰極大值的最小薄層厚度為40 cm，即造巖元素中子γ測井儀器的縱向分辨率為40 cm。

圖14 Si峰相對計數(shù)率變化曲線Fig.14 Change curve of relative counting rate of Si peak

3.3 井眼范圍

以石英（SiO2）和石灰石（CaCO3）設(shè)計地層，其中石英及石灰石在地層骨架體積中占比一致，均為50%。地層孔隙度設(shè)置為10%，在孔隙中為飽和含水狀態(tài)。地層密度由骨架密度確定，為2.54 g?cm-3。井內(nèi)充滿淡水泥漿，測試過程中按7 cm、18 cm、29 cm、40 cm改變井眼的直徑，記錄不同井眼直徑下的地層俘獲譜。通過利用Si、Ca、H元素的標準譜對其進行能譜解譜處理，最終得到Si、Ca元素的干重值［20-21］。分析Si、Ca元素干重計算結(jié)果隨井眼尺寸的變化情況，并與理論值進行對比，測試儀器在對應(yīng)井眼尺寸下的適用情況。

繪制在不同井眼尺寸的條件下Si、Ca元素計算值與理論值對比結(jié)果圖，如圖15所示。結(jié)果顯示：在改變井眼尺寸的條件下，Si、Ca元素干重反演結(jié)果的絕對誤差均基本處于穩(wěn)定不變的，分別約為0.01、0.02，且都在被允許的誤差范圍內(nèi)。因此，造巖元素中子γ測井儀可在7~40 cm的井眼尺寸下獲得較為準確的元素干重值。

圖15 Si、Ca元素干重計算結(jié)果Fig.15 Calculation results of dry weight of Si and Ca elements

4 結(jié)語

通過對造巖元素中子γ測井儀器外殼材料、硼套結(jié)構(gòu)長度、屏蔽體結(jié)構(gòu)及源距變化的蒙特卡羅模擬結(jié)果分析及儀器優(yōu)化后的性能模擬測試，我們得出以下結(jié)論：

1）儀器外殼由于與熱中子反應(yīng)會產(chǎn)生少量的干擾信號，建議選擇TC11鈦鋼做儀器外殼。

2）硼套主要是屏蔽熱中子不使其進入儀器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生干擾信號，本次測井儀器硼套長度結(jié)構(gòu)優(yōu)化選用長29 cm的硼套嵌于TC11鈦鋼材料儀器外殼上最為合適。

3）儀器內(nèi)部屏蔽體主要是屏蔽中子源所產(chǎn)生的中子，不讓其進入探測器區(qū)域，若中子進入到探測器所處區(qū)域會和周圍的各種部件材料中的原子核發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生很強的干擾信號，我們得出鎢鎳鐵做屏蔽體效果最好，直徑取為11.8 cm最優(yōu)，厚度對鎢鎳鐵屏蔽效果影響不大。

4）源距對譜的影響體現(xiàn)在計數(shù)率上，源距的選擇決定了譜的穩(wěn)定性，通過儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計確定源距為37.6 cm最優(yōu)。

5）通過儀器性能模擬測試確定出優(yōu)化后的造巖元素中子γ測井儀器的探測深度為38.9 cm，縱向分辨率為40 cm，且可在7~40 cm的井眼尺寸下獲得較為準確的元素干重值。

作者貢獻聲明張浩宇：負責論文的編寫及修改工作；吳文圣：負責文章思路的提出及文章內(nèi)容的最終敲定；熊世濤：負責資料的搜集及整理。