地層元素測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)的蒙特卡羅數(shù)值模擬

嚴(yán)慧娟，岳愛(ài)忠，趙均，張建民，王樹聲，林巖棟

（1.西安交通大學(xué)，陜西西安710049；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077）

地層元素測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)的蒙特卡羅數(shù)值模擬

嚴(yán)慧娟1，岳愛(ài)忠2，趙均1，張建民1，王樹聲2，林巖棟2

（1.西安交通大學(xué)，陜西西安710049；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077）

建立地層元素測(cè)井的蒙特卡羅方法數(shù)值模擬模型，分別對(duì)儀器的屏蔽體、硼套、源距等儀器參數(shù)對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。單一屏蔽體材料中鎢鎳鐵屏蔽率最高，組合材料中鎢鎳鐵＋硼砂和鎢鎳鐵＋聚乙烯的屏蔽率比相同厚度鎢鎳鐵的屏蔽率略高一些，鎢鎳鐵＋聚乙烯的效果更明顯。實(shí)際儀器模型中11cm厚的鎢鎳鐵屏蔽率大于0.9；硼套為10B與氟橡膠混合材料時(shí)其10B含量達(dá)到10%以上，達(dá)到降低儀器內(nèi)部元素影響的效果；儀器外殼材料均可以采用沉淀不銹鋼或銅，其對(duì)地層元素的解譜幾乎沒(méi)有影響。這些模擬結(jié)果可以為優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)提供參考。

地層元素測(cè)井；蒙特卡羅方法；數(shù)值模擬；儀器結(jié)構(gòu)

0 引 言

地層元素測(cè)井通過(guò)測(cè)量中子在地層中產(chǎn)生的俘獲伽馬能譜和非彈性散射伽馬能譜獲取地層巖石骨架的主要元素種類和含量，確定巖性和骨架參數(shù)。最新的地層元素測(cè)井能夠確定Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、 Mg、K、Mn、Al、H、Cl、C和O等14種元素的份額以及其中前10種元素的含量。在國(guó)外，30多年前出現(xiàn)自然伽馬能譜和次生伽馬能譜測(cè)井的時(shí)候，就開(kāi)始研究地層元素測(cè)井技術(shù)，當(dāng)時(shí)稱之為地球化學(xué)測(cè)井。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，直到20世紀(jì)末才逐漸推出成型儀器。斯倫貝謝公司于1996年推出元素俘獲譜測(cè)井儀器ECS［1］；哈里伯頓公司于2009年推出了一款類似儀器GEMTM［2］，這2款儀器都使用同位素中子源；貝克休斯公司于2009年推出了一款使用可控中子源的地層元素測(cè)井儀器FLeXTM［3］。

隨著復(fù)雜巖性油氣藏、頁(yè)巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣藏勘探開(kāi)發(fā)的深入，地層元素測(cè)井的作用得到越來(lái)越多重視，應(yīng)用日益廣泛。在頁(yè)巖氣和致密氣勘探中，地層元素測(cè)井已經(jīng)成為必測(cè)項(xiàng)目。地層元素測(cè)井可以直接、準(zhǔn)確地確定巖性，這是其他測(cè)井方法無(wú)法比擬的。

大慶、勝利、華北、青海、克拉瑪依和塔里木等油田利用國(guó)外儀器進(jìn)行了測(cè)井試驗(yàn)和應(yīng)用研究，在火山巖等復(fù)雜巖性識(shí)別與解釋評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了有益的探討［4－8］。但限于國(guó)外儀器應(yīng)用的諸多不便，地層元素測(cè)井在國(guó)內(nèi)并未得到規(guī)模應(yīng)用。2011年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司支持立項(xiàng)研制地層元素測(cè)井儀器。本文就儀器設(shè)計(jì)部分的研究成果作一介紹。

1 蒙特卡羅計(jì)算模型的建立

在調(diào)研國(guó)外同類儀器后提出了地層元素測(cè)井儀器初步的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)（包括源結(jié)構(gòu)、源距、探測(cè)器、儀器外徑和長(zhǎng)度等）以及材料的類型等，建立儀器測(cè)井的蒙特卡羅方法數(shù)值計(jì)算模型（見(jiàn)圖1）。測(cè)井模型基本參數(shù)中地層高度為130cm，直徑為150 cm，井眼半徑為10cm；儀器分為2段，2段尺寸分別為Φ12.7cm×70cm和Φ9cm×45cm，總長(zhǎng)度為115cm；源為Am－Be中子源，屏蔽體材料為鎢鎳鐵；探測(cè)器材料為BGO晶體；硼套材料為45%的硼粉打混氟橡膠。

圖1 地層元素測(cè)井儀器蒙特卡羅方法數(shù)值計(jì)算模型

2 儀器屏蔽體的屏蔽性能

屏蔽體是為防止中子源產(chǎn)生的中子直接進(jìn)入儀器探測(cè)器影響探測(cè)結(jié)果而設(shè)置的。其屏蔽性能是屏蔽材料選取和確定厚度的唯一目標(biāo)。屏蔽性能一般用屏蔽率表示，描述了屏蔽體阻擋粒子穿過(guò)的能力。

2.1 理論計(jì)算模型

為測(cè)試屏蔽體的屏蔽效果，首先參照ISO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［9］建立镅鈹中子源，設(shè)置模型最左側(cè)的垂直面為面源，向右水平發(fā)射中子，經(jīng)過(guò)10cm厚的空氣層進(jìn)入屏蔽體，分別記錄中子經(jīng)過(guò)屏蔽體前后的中子流，最后獲得屏蔽材料的屏蔽率。屏蔽體材料分別取鎢鎳鐵、鐵、鉛、銅、石墨、硼砂和聚乙烯7種。各種材料屏蔽率隨厚度的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 不同屏蔽材料的屏蔽率隨厚度的變化規(guī)律

由圖2可以很明顯看出，隨著屏蔽體厚度的增加，各種材料的屏蔽率都逐漸增大，其中鎢鎳鐵是所選幾種材料中屏蔽效果最好的，并且在厚度為14 cm時(shí)屏蔽率達(dá)到0.80，達(dá)到較好的屏蔽效果。

考慮到隨著屏蔽層的加厚，熱中子會(huì)逐漸增加。如果采用組合材料，即先用一定厚度的鎢鎳鐵，再加一段其他材料，可能會(huì)取得更好的屏蔽效果。于是，計(jì)算了10cm厚度鎢鎳鐵加3cm及5cm厚度其他材料作屏蔽體的情況，分別與屏蔽體是鎢鎳鐵13 cm和15cm時(shí)屏蔽率進(jìn)行比較，得到結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 相同厚度情況下不同材料組合的屏蔽率比較

由表1可以看出，在所有組合材料中只有鎢鎳鐵＋硼砂和鎢鎳鐵＋聚乙烯的屏蔽率比相同厚度鎢鎳鐵的屏蔽率略高一些，而其他組合材料反比鎢鎳鐵的屏蔽率要低。

2.2 儀器模型

儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在源和屏蔽體之間是沉淀不銹鋼，它對(duì)中子也起到一定的屏蔽作用。從實(shí)際儀器設(shè)計(jì)考慮在源和屏蔽體之間也可以是空腔或其他材料。為了分析這2種情況下屏蔽體的屏蔽效果，建立了2種計(jì)算模型（見(jiàn)圖3）。圖3（a）所示為源和屏蔽體之間是沉淀不銹鋼的局部模型圖；圖3（b）所示為源和屏蔽體之間是空腔的局部模型圖。模擬計(jì)算得到2種情況下屏蔽率隨屏蔽體厚度變化的規(guī)律（見(jiàn)圖4）。

由圖4可以看出，屏蔽體厚度4cm情況下源和屏蔽體之間是空氣時(shí)的屏蔽率為0.63；源和屏蔽體之間是沉淀不銹鋼時(shí)，由于鐵對(duì)中子的慢化的作用，中子入射面的中子能量會(huì)相應(yīng)降低，使得屏蔽率已經(jīng)達(dá)到0.82。所以儀器內(nèi)部的鐵的影響不可忽略。在實(shí)際儀器中源和屏蔽體之間會(huì)填充輕型的慢化材料，屏蔽效果應(yīng)該介于中間材料是空腔和沉淀不銹鋼之間，厚度11cm的鎢鎳鐵可以達(dá)到屏蔽率0.9以上，完全能夠滿足實(shí)際儀器要求。

3 硼套對(duì)探測(cè)器響應(yīng)的影響

硼套是為了防止儀器外部的熱中子進(jìn)入儀器與儀器材料發(fā)生反應(yīng)影響探測(cè)結(jié)果而設(shè)置的。在硼套厚度一定時(shí)，將10B與氟橡膠按照不同質(zhì)量比例進(jìn)行混合，使硼的濃度分別為0.3%、2.5%、10%、30%和50%，混合后的硼表面密度見(jiàn)表2。計(jì)算沒(méi)有硼套情況進(jìn)行比較，得到的能譜曲線見(jiàn)圖5。

表2 不同混合比例下硼的表面密度

圖5 不同硼混合比例能譜比較

由圖5可看出，在無(wú)硼套到硼混合比例逐漸增大時(shí)，計(jì)數(shù)率逐漸降低，而且硼混合比例低時(shí)變化幅度大，硼混合比例高時(shí)變化幅度小。當(dāng)硼混合比例達(dá)到10%之后隨著硼混合比例增加曲線變化幅度非常小，可以近似認(rèn)為硼混合比例為10%時(shí)接近飽和程度，即再增加硼混合比例，計(jì)數(shù)率變化不大，鐵峰也沒(méi)有顯著的變化。硼混合比例10%的情況下，就可以較好地滿足屏蔽儀器內(nèi)部元素影響的效果。

4 源距對(duì)探測(cè)器響應(yīng)的影響

根據(jù)儀器的基本結(jié)構(gòu)，模擬計(jì)算中源距分別為41、43、45、47、49、51cm和53cm，得到總計(jì)數(shù)率隨不同源距的變化曲線及不同源距探測(cè)器計(jì)數(shù)能譜曲線見(jiàn)圖6。由圖6可知，探測(cè)器總計(jì)數(shù)率隨源距增加而減小；探測(cè)器計(jì)數(shù)能譜曲線也隨源距增加而降低，且各主要特征峰幾乎同幅度降低。源距增大，可以減小井眼的影響，但考慮到隨著源距增大計(jì)數(shù)率不斷減低，過(guò)低的計(jì)數(shù)率不利于儀器測(cè)量，所以儀器的源距不能過(guò)大。另外，儀器源距的選擇還要綜合考慮儀器的探測(cè)深度等因素。

圖6 不同源距計(jì)數(shù)率變化曲線圖

5 儀器外殼材料對(duì)探測(cè)器響應(yīng)的影響

儀器外殼材料可以取沉淀不銹鋼或銅。這里分別計(jì)算了2種材料對(duì)探測(cè)器響應(yīng)影響規(guī)律，計(jì)算結(jié)果的能譜曲線見(jiàn)圖7。

圖7 外殼材料為沉淀不銹鋼和銅的能譜曲線

由圖7可以看出，外殼為沉淀不銹鋼和銅的差別除在鐵峰處差異稍大外，在其他能量區(qū)間相對(duì)偏差均在15%以內(nèi)，對(duì)各主要峰值影響很小，對(duì)地層元素的解譜幾乎沒(méi)有影響。所以，外殼材料的選取采用沉淀不銹鋼或銅均可以。

6 結(jié) 論

（1）在所選的單一屏蔽體材料中，鎢鎳鐵是屏蔽率最高的；在選定的組合材料中，鎢鎳鐵＋硼砂和鎢鎳鐵＋聚乙烯的屏蔽率比相同厚度鎢鎳鐵的屏蔽率略高一些，鎢鎳鐵＋聚乙烯的效果更明顯，所以屏蔽體的材料可以選取鎢鎳鐵和聚乙烯的組合材料；在實(shí)際儀器模型中，11cm厚的鎢鎳鐵可以達(dá)到屏蔽率大于0.9的要求。

（2）硼套為10B與氟橡膠混合材料時(shí)，其中的10B含量達(dá)到10%以上，即可以達(dá)到屏蔽儀器內(nèi)部元素影響的效果。

（3）隨著源距的增大，各能量段的計(jì)數(shù)率及總計(jì)數(shù)率都隨之減小。源距的選取要同時(shí)綜合考慮其他因素。

（4）儀器外殼材料采用沉淀不銹鋼或銅均可以，對(duì)地層元素的解譜幾乎沒(méi)有影響。

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Monte Carlo Numerical Simulation of Structure Parameters in Formation Elements Logging Tool

YAN Huijuan1，YUE Aizhong2，ZHAO Jun1，ZHANG Jianmin1，WANG Shusheng2，Lin Yandong2
（1.Xi’an Jiaotong Univeristy，Xi’an，Shaanxi 710049，China；2.Technical Center，China Petroleum Logging CO.LTD.，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

The Monte Carlo simulation model of formation elements logging tool is established.With the model the effects of tool parameters including the shield，boron coating and source spacing are studied on logging responses.In the single shield materials，the shielding effect of Tungsten（W），Nickel（Ni）and Iron（Fe）is the best.In the combined shield materials，the shielding effect of W－Ni－Fe＋Boron（B）and W－Ni－Fe＋polyethylene is better then that of W－Ni－Fe with the same thickness；the shielding effect of W－Ni－Fe＋polyethylene is much better.In practical tool model，the shielding effect of 11cm thick of W－Ni－Fe material is above 0.9；if the Boron coating is the mixed material of10B and fluoro－elastomer，its10B content is more than 10%，which may reduce the tool’s internal elements influencing effect.The tool shells may use settling stainless steel or Copper（Cu），because they don’t have any influence on spectrum deconvolution of formation elements.The above results may be used as a reference for optimizing the tool structure design.

formation elements logging，Monte Carlo method，numerical simulation，tool structure

P631.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011－12－28 本文編輯 李總南）

齊德鵬，男，工程師，從事射孔技術(shù)管理工作。